Neue Quantentechnik bietet weitreichende Anwendungen
Quantentechnologien sind schon jetzt kaum aus unserem Alltag wegzudenken. Eine neue Generation von

Quantentechnik steht vor dem Durchbruch

Oktober bei einer Präsentation in New York vom Quantencomputer von IBM fasziniert.
Neue Quantentechnik bietet weitreichende Anwendungen
Quantentechnologien sind schon jetzt kaum aus unserem Alltag wegzudenken. Eine neue Generation von Quantentechnik steht vor dem Durchbruch
US-Präsident Joe Biden zeigte sich Anfang Oktober bei einer Präsentation in New York vom Quantencomputer von IBM fasziniert.

Die Geschichte der Physik seit 1900 kann als die Geschichte eines erbitterten Streits verstanden werden. Die Auseinandersetzung erschütterte die Grundlagen unseres Verständnisses von Wirklichkeit, Raum und Zeit und reißt bis heute tiefe Gräben auf. Wer sich in diesem Streit gegenübersteht, ist auf der einen Seite niemand Geringerer als Albert Einstein. Der Name seines Kontrahenten mag überraschen: Albert Einstein.
Die Physiknobelpreisträger dieses Jahres, zu denen auch der Österreicher Anton Zeilinger zählt, erhalten die prestigereiche Auszeichnung letztlich auch für ihren experimentellen Nachweis, dass Einstein unrecht hatte – und zugleich auch recht behalten sollte. Konkreter Ausgangspunkt ist eine Arbeit, die Einstein 1935 formulierte, in der er behauptete, dass die Quantenmechanik keine zufriedenstellende physikalische Theorie sei.
Eine neue Generation von Quantentechnologien bietet vielfache Anwendungsmöglichkeiten und ist zum Teil bereits einsatzbereit.

Einstein vs. Einstein
Wie die Physiknobelpreisträger John Clauser, Alain Aspect und Zeilinger in den vergangenen Jahrzehnten zeigen konnten, lag Einstein mit dieser Aussage daneben. Als richtig hat sich hingegen die quantenmechanische Beschreibung erwiesen, die Einstein selbst 1905 auf den Weg gebracht hatte.
Im Zentrum der Diskussion um die Bedeutung der Quantenphysik stehen Fragen zur physikalischen Realität, zum Verständnis von Raum und Zeit. Viele dieser Fragen sind bis heute nicht geklärt. Doch interessanterweise ist das gar nicht erforderlich, um die Quantenphysik bereits jetzt für eine Vielzahl an Anwendungen einzusetzen.
Jede Besitzerin eines Smartphones nutzt Erkenntnisse der Quantenphysik auf täglicher Basis in Form von Halbleitern, die sich in Mikroelektronik finden. Wann immer wir uns einer Magnetresonanztomografie unterziehen, kommt der quantenmechanische Effekt des Kernspins zur Anwendung. Laser begegnen uns an der Supermarktkasse oder bei Laserdruckern.
Laser sind eine frühe Anwendung von Erkenntnissen der Quantenphysik – und kommen bis heute in Supermarktkassen und bei Konzertshows zum Einsatz.


Alltägliche Anwendungen
Kurzum, es gibt kaum einen anderen Wissenschaftszweig, den wir so selbstverständlich tagtäglich verwenden wie die Quantenphysik. Und das, obwohl die wenigsten von uns behaupten würden, die Quantenphysik bis ins letzte Detail zu verstehen. Am allerwenigsten behaupten das übrigens Quantenphysiker und Quantenphysikerinnen.
Dreh- und Angelpunkt der revolutionären Erkenntnisse von Clauser, Aspect und Zeilinger ist das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung. Zwischen verschränkten Teilchen besteht eine rätselhafte Verbindung, die sich nicht mit klassischer Physik beschreiben lässt.
Einstein war der erste, der über die Verschränkung nachgedacht hat. Gleichzeitig war er ihr größter Gegner. Doch wie sich zeigte, existiert das Phänomen, das Einstein als "spukhafte Fernwirkung" diskreditierte, tatsächlich, wie die Experimente von Clauser, Aspect und Zeilinger zeigten. Und nicht nur das: Die Verschränkung hat auch praktische Anwendungsmöglichkeiten.
Im August präsentierte der chinesische IT-Konzern seinen Quantencomputer in Peking.

Speerspitze Quantencomputer
So hat sich in den vergangenen Jahren ein Milliardenmarkt um eine neue Generation von Quantentechnologien entwickelt. Für das Jahr 2021 wurde das Marktvolumen dafür mit zehn Milliarden Euro beziffert, für 2028 wird ein Volumen von 44 Milliarden prognostiziert.
Die größte Aufmerksamkeit kommt dabei Quantencomputern zu. Wie zuvor erwähnt, steckt auch in herkömmlichen Computern Quantenphysik, nämlich vor allem das Wissen um das Verhalten von einzelnen Elektronen. Quantencomputer hingegen nutzen ausgefinkelte Phänomene wie die Verschränkung oder die Überlagerung von Zuständen.

Verschlüsselung knacken
Spezielle Quantenalgorithmen ermöglichen so, bestimmte Probleme viel schneller zu lösen als klassische Computer. Dazu zählt etwa die Zerlegung in Primzahlen – eine Auf-gabe, die beim Knacken von verschlüsselten Daten nützlich ist. Wenn einmal ein leistungsstarker Quantencomputer verfügbar ist, könnte dieser klassischen Verschlüsselungsmethoden im Nu entziffern. Es gibt nur eine Möglichkeit, das zu verhindern – die Quantenverschlüsselung. Basierend auf Quantenphänomenen lassen sich nämlich auch Verschlüsselungsverfahren entwickeln, die nach unserer jetzigen Kenntnis der Naturgesetze nicht geknackt werden können.
Produkte der Quantenkryptografie sind bereits kommerziell erhältlich. Da es realistisch ist, dass leistungsstarke Quantencomputer in etlichen Jahren oder Jahrzehnten verfügbar sind, ist die Zielsetzung, sensible Daten bereits zuvor mittels Quantenverschlüsselung zu sichern.
Honeywell Quantum Solutions bietet kommerzielle Quantenkryptografie-Produkte an.
Foto: Reuters/Quantinuum/Josh Wood Photo

Zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten
Die neue Generation von Quantentechnologien hat zahlreiche sowohl gesellschaftliche als auch wirtschaftliche, medizinische und militärische Anwendungsmöglichkeiten: Quantensensoren könnten Krebs erkennen, lange bevor Symptome auftreten. Quantensimulatoren ermöglichen es, neue Wirkstoffe zu finden. Quantenalgorithmen würden die raschesten Logistikrouten effizient ermitteln. Quantenradar würde die Überwachung des Luftraums verbessern und dadurch militärische Vorteile bieten.

Man kann sich gut vorstellen, dass der glühende Pazifist Albert Einstein all das vehement abgelehnt hätte. Ebenso gut ist denkbar, dass Einstein, der stets das Neue und Unkonventionelle schätzte, von diesen neuen Quantentechnologien äußerst begeistert gewesen wäre. (Tanja Traxler, 16.10.2022)
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