Quantentechnologien

Wir unterscheiden zwischen verschiedenen Disziplinen, die sich die Eigenschaften der Quantenphysik zunutze machen.

Beim Quantencomputing werden so genannte Qubits anstelle von »herkömmlichen« Bits genutzt, um Rechenoperationen durchzuführen. Qubits können durch die Überlagerung von Quantenzuständen auch jede beliebige Kombination aus 0 und 1 annehmen. Auf diese Weise lassen sich größere Probleme und komplexere Aufgaben parallel statt linear berechnen. Um damit rechnen zu können, müssen Quantenalgorithmen definiert und übersetzt werden. Die ersten Quantencomputer sind bereits im Einsatz – so zum Beispiel beim Fraunhofer Kompetenznetzwerk in Ehningen. Die Zukunftsvision ist das Quanteninternet, das mehrere Quantencompouter über Quanteninformation miteinander koppelt.

In der Quantenkommunikation kommen so genannte Zwillingsphotonen zum Einsatz. Sie ergänzen sich jederzeit in ihren Eigenschaften – unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Man braucht man nur eins zu messen, um den Zustand des anderen zu kennen. Dieser Umstand lässt sich für eine sichere physikalische Verschlüsselung nutzen, mit der man Hackerangriffen, Datenleaks, Wirtschafts- und Bankenspionage künftig bald zuverlässig vorbeugen könnte.

Beim Quantenimaging werden verschränkte Photonen genutzt, die das gesamte optische Spektrum von Infrarot bis Ultraviolett abdecken. Damit können Objekte auch in Wellenlängenbereichen sichtbar gemacht werden, die bislang unsichtbar waren. Vereinfacht gesagt, wird für die Untersuchung des Objekts ein anderer Lichtstrahl genutzt als für die Bildgebung in der Kamera. Während die einen Photonen zum zu detektierenden Objekt im unsichtbaren Wellenlängenbereich geschickt werden, werden die Zwillingsphotonen im sichtbaren Spektrum von einer Kamera eingefangen. Da die verschränkten Lichtteilchen die gleiche Information in sich tragen, entsteht ein Bild, obwohl das Licht, das die Kamera erreicht, das eigentliche Objekt nie erfasst hat. Einsatz sollen diese Prinzipien in der medizinischen Bildgebung oder in der Untersuchung von Materialoberflächen finden.

Die Disziplin der Quanten-KI verbindet zwei aktuelle Schlüsseltechnologien: Quantencomputer und Künstliche Intelligenz. Quantencomputern könnten in kürzester Zeit ein Problem bewältigen, mit denen sich digitale Systeme zur Zeit noch schwer tun: Mathematisch betrachtet sind viele KI-Probleme so genannte kombinatorische Optimierungsprobleme, etwa optimale Lieferrouten zu bestimmen. Wenn solche Probleme komplex sind, also viele Variablen enthalten, ist es heute auf sehr schwer bis unmöglich, optimale Lösungen in vertretbarer Zeit zu finden.

Das Grundprinzip der Quantensensorik ist simpel: Um Atomkerne fliegen Elektronen, die sich wie ein Kreisel um sich selbst drehen. Diese Drehung heißt Spin – eine quantenmechanische Eigenschaft. Durch den Elektronenspin bildet sich ein magnetischer Dipol um das Elektron, der von anderen magnetischen Feldern angezogen oder abgestoßen wird. Für die so genannte Quantenmagnetometrie werden die Zustände von Elektronen – genau genommen der Elektronen-Spin – eines ganz bestimmten Defekts in der Gitterstruktur von Diamanten optisch gemessen. Ein Magnetfeld verschiebt die Energien der Spin-Zustände, was durch eine Änderung der Helligkeit gemessen werden kann. Die Quantensensorik öffnet neue Türen vor allem in der medizinischen Diagnostik und der Materialanalyse.

Elementarteilchen wie Photonen oder Elektronen, sogar Atome oder Moleküle verhalten sich manchmal wie Wellen und manchmal wie Teilchen. Während ein klassisches Teilchen nur an einem Ort sein kann, breitet sich eine klassische Welle im Raum aus und kann sich mit anderen Wellen überlagern.

Teilchen können sich aufgrund ihrer Welleneigenschaften durch Energiebarrieren bewegen als würden sie durch Wände gehen. Da Menschen aus Atomen bestehen, gibt es eine theoretische Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass jedes einzelne Teilchen im menschlichen Körper die Potentialbarrieren einer Wand überwindet. Der Versuch, das zu beweisen, könnte jedoch schmerzhaft werden.

Das vielleicht berühmteste Gedankenexperiment, um Quantenphysik zu erklären. In einer Kiste sitzt eine Katze zusammen mit einer Giftgasampulle. Durch einen Mechanismus, der durch ein radioaktives Teilchen ausgelöst wird, besteht zu jedem Zeitpunkt die Wahrscheinlichkeit, dass das tödliche Gift freigesetzt wurde. Der radioaktive Zerfall bietet dabei einen idealen Zufallsgenerator für diesen Zeitpunkt. Ohne Wechselwirkung mit der Außenwelt befindet sich Schrödingers Quantenkatze also in einer Superposition, verschränkt mit dem Zustand des radioaktiven Teilchens. Sie ist quasi sowohl lebendig als auch tot. Erst wenn jemand in der Kiste nachschaut, wird das Tier auf einen von beiden Zuständen festgelegt. 

Diesen Effekt nannte Einstein noch »spukhafte Fernwirkung«. Sind zwei Teilchen miteinander verschränkt, ergänzen sie sich immer in ihren Eigenschaften. Sie sind untrennbar verbunden, auch wenn sie Lichtjahre voneinander getrennt sind. Misst man zum Beispiel bei einem Zwillingsphoton eine vertikale Polarisation, dann ist das andere Photon sofort horizontal polarisiert. Und das, obwohl sein Zustand unmittelbar vorher noch nicht festgelegt war und kein Signal zwischen den beiden Teilchen ausgetauscht wurde.