Unsere Welt besteht aus Quanten. Diese elementaren Teilchen unterliegen eigenen Gesetzen und physikalischen Prinzipien, die unserem Alltagsverständnis zu widersprechen scheinen. Doch schon heute bringen wir erste Erkenntnisse in die industrielle Anwendung. Das beste Beispiel dafür ist die Photonik, die in vielerlei Hinsicht Wegbereiter für Quantentechnologie ist.

Was sind Quanten?

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Quantentechnologien basieren auf quantenmechanischen Prinzipien, die manchmal unsere Vorstellungskraft übersteigen. Unser FAQ beantwortet die wichtigsten Fragen. (Eine tiefergehende Erklärung der einzelnen Phänomene der Quantenwelt beinhaltet die Videoreihe des Wissenschaftskanal Doktor Whatson. Das BMBF hat die Videoreihe finanziert.

Was sind Quanten?

Vereinfacht gesagt stellt ein Quant eine kleinstmögliche Einheit dar, die nicht weiter unterteilt werden kann. Lange Zeit dachte man, das Atom sei die kleinste, unteilbare Einheit. Heute jedoch wissen wir, dass selbst das Atom aus Bausteinen zusammengesetzt ist: Protonen, Neutronen und Elektronen. Diese Bausteine sind Quanten. Sie verhalten sich gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik. 

Was ist Superposition?

Superposition ist ein Konzept der Quantenphysik, das besagt, dass ein Quantenteilchen sich in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden kann. Das steht im Gegensatz zu klassischen Teilchen, die nur einen bestimmten Zustand annehmen können.

Um dieses Phänomen aus der Quantenphysik besser zu verstehen, entwickelte der Physiker Erwin Schrödinger ein Gedankenexperiment: Eine Katze wird zusammen mit einer Giftampulle in einen Karton gesperrt. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Giftampulle kaputt geht und die Katze stirbt, liegt zu jeder Zeit bei 50 %. Ob die Katze im verschlossenen Karton tot oder lebendig ist, können wir nur mit Sicherheit sagen, wenn wir den Karton öffnen und hineinschauen. Bis dahin befindet sie sich quasi in beiden Zuständen gleichzeitig. Besser gesagt ist sie mit derselben Wahrscheinlichkeit tot bzw. lebendig. Dieses Phänomen nennt man Superposition. Schauen wir in die Box, dann kollabiert der Zustand aus gleichzeitig tot oder lebendig. Denn die Katze kann nur tot oder lebendig sein. Aber nicht beides gleichzeitig.

In ähnlicher Weise kann ein Quantenteilchen so lange in einem Zustand der Superposition sein, bis wir es messen oder beobachten. Mit dem Zeitpunkt unserer Messung geht es in einen bestimmten Zustand über. Dieses Konzept ist fundamental für viele Anwendungen in der Quantentechnologie, wie zum Beispiel Quantencomputer und Quantenkommunikation. 

Was ist Verschränkung?

In der Quantentechnologie ist das Prinzip der Quantenverschränkung ebenso wichtig wie das der Superposition. Die Verschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei oder mehr Teilchen in einer Weise miteinander verbunden sind, dass der Zustand eines Teilchens unmittelbar den Zustand des anderen beeinflusst, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Das Prinzip der Verschränkung bildet die Grundlage für viele Anwendungen in der Quantenkommunikation.

Wieso ist die Photonik für die Quantentechnologie so wichtig?

Auch Photonen sind Quanten und die kleinsten uns bekannten Bausteine des Lichts, beziehungsweise die unteilbaren Energiepakete der elektromagnetischen Strahlung. Die Photonik ist die Wissenschaft, die mit Photonen arbeitet und sie in Technologien überführt. Der Laser ist ein Beispiel für diese Technologien. Er emittiert Photonen in Form eines kohärenten Lichtstrahls und zeigt exemplarisch, dass eine photonische Technologie auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruht. Für viele quantentechnologische Anwendungen brauchen wir das Wissen und Technologien aus der Photonik. Daher ist sie in vielerlei Hinsicht für die Entwicklung von Quantentechnologien von großer Wichtigkeit. Einige Quantencomputer nutzen beispielsweise Photonen als Ersatz für klassische Bits. Ein Vorteil von photonischen Qubits gegenüber anders erzeugten Qubits ist, dass sie nur schwach mit ihrer Umgebung interagieren und dadurch robuster gegenüber Störungen sind. Die Photonik bietet daher einen interessanten Ansatz, um robuste Plattformen für die Verarbeitung von Quanteninformationen zu schaffen.

Übrigens: Mit dem Begriff Quantensysteme führte das BMBF 2022 zwei eng verzahnte Forschungsfelder zusammen: Die Photonik und die Quantentechnologie. Das BMBF fördert Projekte in diesen Bereichen im Rahmen des Forschungsprogramms Quantensysteme – Spitzentechnologie entwickeln. Zukunft gestalten.

Die Entstehung der Quantentechnologie

Schon heute nutzen wir quantenbasierte Technologien in unserem alltäglichen Leben: Mikrochips, Laser oder Magnetresonanztomographie (MRT) sind nur einige Beispiele. Diese und weitere Technologien basieren auf grundlegenden Prinzipien der Quantenmechanik. Sie sind allerdings noch keine Quantentechnologien im herkömmlichen Sinne. Denn sie erfordern keine Kontrolle über einzelne Quanten. Bei einem Laser spielt beispielsweise der genaue Zustand der einzelnen Photonen eine geringe Rolle. Stattdessen kommt es darauf an, dass genügend Photonen im gleichen Zustand sind, um den Laserstrahl zu erzeugen. 

Im Gegensatz dazu ist bei den neuen Quantentechnologien die Untersuchung einzelner Quanten wichtig. Die Kontrolle über quantenmechanische Prinzipien wie Verschränkung und Überlagerung (Superposition) ermöglicht völlig neue Technologien. Das führt zu detaillierteren Messgeräten, erheblich verbesserter Sicherheit bei der Datenkommunikation oder deutlich leistungsfähigeren Computern.

Quantentechnologie in Deutschland

Aktuell konzentriert sich die Forschung auf fünf Felder: 

• Quantencomputer,
• Quantensimulation,
• Quantenkommunikation,
• Quantenbasierte Messtechnik und
• Basistechnologien für Quantensysteme

Außerdem werden Konzepte entwickelt, die möglichst vielen Menschen einen niederschwelligen Zugang zu Wissen über Quantentechnologie bieten.

Quantencomputer

Durch die Gesetze der Quantenmechanik haben Quantencomputer das Potenzial, spezielle, rechenintensive Aufgaben sehr viel schneller zu lösen als klassische Computer. Wie in diesen Beispielen:

• Ein Paketlieferdienst könnte mithilfe eines Quantencomputers seine Routen optimieren. So können Pakete auf möglichst effizientem Weg zugestellt werden. Ein Quantencomputer kann dabei sehr viele zusätzliche Faktoren berücksichtigen. Er kann berechnen, ob das Umfahren von Verkehrshindernissen wie Staus, Baustellen oder Ampeln sinnvoll ist. Falls ja, schlägt er eine bessere Route vor.
• Quantencomputer könnten berechnen, wie kleine Bauteile aus einer großen Metallplatte ausgeschnitten werden müssen, um möglichst wenig Material zu verschwenden. Das spart Kosten und senkt den Preis.

Wie funktioniert ein Quantencomputer?

Klassische Computer nutzen Bits, die zwei Zustände annehmen können – 1 oder 0. Im Gegensatz dazu nutzen Quantencomputer Qubits, die aufgrund der quantenmechanischen Effekte der Überlagerung (Superposition) und Verschränkung mehrere Zustände gleichzeitig annehmen können. Dadurch sind Quantencomputer in der Lage, viele Berechnungen parallel durchzuführen, anstatt sie nacheinander abzuarbeiten, wie es bei klassischen Computern der Fall ist. 

Quantensimulation

Bei der Quantensimulation simuliert ein Quantensystem ein anderes. Quantensimulationen sind Experimente, bei denen Forschende versuchen, das Verhalten von winzigen Teilchen auf sehr genaue Weise nachzubilden. Dies kann uns dabei helfen, neue Materialien zu entwickeln oder besser zu verstehen, wie Dinge auf atomarer Ebene funktionieren. Nützlich ist die Quantensimulation zum Beispiel für das Entwickeln verbesserter Batterien, die länger halten und schneller aufgeladen werden können. Mit Quantensimulationen können Forschende außerdem wirksamere Medikamente entwickeln, die weniger Nebenwirkungen haben. Des Weiteren helfen Quantensimulationen dabei, Umwelteinflüsse besser zu verstehen.

Quantenkommunikation

Das Hauptziel der Quantenkommunikation ist die sichere Übertragung von Daten, insbesondere in sensiblen Bereichen wie dem Finanzsektor, dem Gesundheitswesen, der Forschung und der Regierungsarbeit. In diesen Bereichen werden täglich große Mengen an vertraulichen Daten verarbeitet und ausgetauscht, die vor unbefugtem Zugriff geschützt werden müssen.

Dafür nutzt die Quantenkommunikation unter anderem die Eigenschaft, dass Quantenzustände nicht kopiert werden können. Sensible Daten werden dabei mit einem Schlüssel aus Qubits gesichert. Würde man versuchen, die Kommunikation abzuhören, dann müsste man die Qubits messen. Das verändert allerdings den Zustand des Qubits wodurch sich wiederum der übertragene Schlüssel verändern und damit unbrauchbar werden würde. Dadurch fiele direkt auf, wenn jemand mithört. Quantenkommunikation gewährleistet also eine ausgezeichnete Angriffserkennung.

Quantenbasierte Messtechnik

Quantensysteme ermöglichen beispiellose Genauigkeit in der Messtechnik. Schon jetzt arbeiten Forscherinnen und Forscher an potenziell bahnbrechenden Technologien: Sie möchten beispielsweise Bodenschätze oder Blindgänger schneller detektieren, die Krebserkennung und -bildgebung verbessern oder neuronale Signale so genau messen, dass damit Prothesen gesteuert werden können. Die quantenbasierte Messtechnik gilt als die am weitesten entwickelte Quantentechnologie. 

Basistechnologien für Quantensysteme

Basistechnologien sind die Grundlage, um Quantentechnologien in die Anwendung zu bringen. Darunter fallen grundlegende physikalische Forschungsarbeiten, aber auch die Entwicklung von Geräten. Jese Quantentechnologie wird in ihren aktuellen Anwendungen durch das verfügbare technische Equipment, insbesondere dessen Größe und Zuverlässigkeit beschränkt. Ein wichtiger Schritt zur Nutzung von Quantentechnologie besteht daher darin, von empfindlichen Laboraufbauten zu robusten, betriebssicheren und kostengünstig herstellbaren Geräten überzugehen. Insbesondere die Photonik kann hier einen wertvollen Beitrag leisten.

Wissenschaftskommunikation

Der Erfolg neuer Technologien hängt von den Menschen ab, die sie nutzen werden. Quantentechnologien müssen daher für die breite Bevölkerung versteh- und erlebbar werden. Im Bereich der Quantentechnologie ist das besonders herausfordernd, denn viele Phänomene der Quantenmechanik sind wenig anschaulich und erscheinen zunächst paradox. Wenn Sie Ihr Wissen über die quantentechnologischen Grundlagen erweitern wollen, können Sie sich entweder unseren Quanten-Crashkurs durchlesen oder die angucken, die der Wissenschaftskanal Doktor Whatson aufgenommen hat. Falls Sie Ihr Wissen testen wollen, können Sie unser Quiz ausprobieren.

Das BMBF organisiert federführend die forschungspolitische Strategie der Bundesregierung für die Quantentechnologie.

Zusätzlich setzt das BMBF mit dem Forschungsprogramm Quantensysteme – Spitzentechnologie entwickeln. Zukunft gestalten. einen langfristigen, forschungspolitischen Rahmen, mit dem es Forschung und weitere Initiativen im Bereich angewandter Photonik und Quantentechnologien fördert. Informationen zu Fördermöglichkeiten und Projekten finden Sie hier: www.quantentechnologien.de.

Testen Sie Ihr Wissen!

Mit unserem Quiz können Sie die Grundlagen und die neuesten Entwicklungen in der Quantentechnologie kennenlernen.

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Redaktionsschluss dieses Textes: 01.11.2024