Symbolische Darstellung zweier verschränkter Quanten. Zwei hell leuchtende weiße Punkte sind jeweils umgeben von goldenen Spiralen und miteinander verbunden mit weißen Linien.

Quanten haben besondere Eigenschaften - wie beispielsweise die Verschränkung miteinander, wie hier symbolisch dargestellt - welche besonders leistungsfähige Computer, Sensoren, Bildgebungsverfahren und Kommunikationsmethoden ermöglichen. (Bild: Peter Jurik - stock.adobe.com)

Quantentechnologien nutzen spezielle Effekte der Quantenphysik und machen auf diese Weise zuvor unmögliche Dinge möglich. Während seit den 1950er Jahren bereits makroskopische Quanteneffekte und die grundlegenden Prinzipien genutzt wurden – dazu gehören beispielsweise Laser-Technologie und Halbleiter – wird heutzutage das Verhalten einzelner Quanten genutzt. Dank ihres einzigartigen Verhaltens können völlig neue Technologien entstehen.

Welche Quantentechnologien gibt es?

Die Quantentechnologien basierend auf dem Verhalten einzelner Quanten lassen sich grob in vier Kategorien einordnen:

Detaillierte Informationen finden Sie in den einzelnen Abschnitten, über die Links gelangen Sie direkt dorthin. Zunächst wollen wir uns aber anschauen, warum Quantentechnologien in Zukunft eine große Bedeutung haben können.

Unsere gesammelte Berichterstattung zu Quantentechnologien finden Sie übrigens auf unserer Fokus-Seite:

Stilisiertes Qubit auf grünem Hintergrund überlagert mit Schrift "Im Fokus: Quantentechnologie" und Logo des Fachmediums PRODUKTION

Was ist das Besondere an Quantentechnologien?

Ganz einfach: Quanten sind besonders. Die Prinzipien von Superposition, Verschränkung und Unschärfe machen das Verhalten von Quanten einzigartig (Details zu den speziellen Eigenschaften gibt’s im folgenden Infokasten). Dieses spezielle Verhalten erlaubt zum Beispiel schnellere Berechnungen, genauere Simulationen und sicherere Verschlüsselungen. Mithilfe der Quantentechnologie können also bestehende Prozesse schneller, einfacher und genauer werden.

Daraus ergeben sich große Chancen für die deutsche Industrie, denn dieses „schneller, präziser, einfacher“ ist genau das, was viele produzierende Unternehmen als Ziel haben. Deswegen sind Forschung und Entwicklung in diesem Bereich momentan so wichtig. Beispiele für die enormen Leistungssprünge, die mit Quantentechnologien möglich sind, und warum die Technologie gerade für Deutschland und seine Industrie besonders wichtig ist, lesen Sie im Artikel: "Quantentechnologie: Warum Deutschland jetzt handeln muss".

Quantencomputer

Angela Merkel bezeichnete den ersten kommerziell nutzbaren Quantencomputer Europas als „glänzendes Aushängeschild des Hightech-Standorts Deutschlands“. Aber warum erhalten die quantenbasierten Rechner so viel Lob und Anerkennung? Die Gründe dafür sind ihre Leistungsfähigkeit, ihre einzigartige Funktionsweise und die damit einhergehenden Innovationspotenziale in den verschiedensten Bereichen.

Die Leistungsfähigkeit resultiert direkt aus der Funktionsweise: Während konventionelle Computer mit Bits rechnen, die nur entweder den Wert Null oder Eins einnehmen können, nutzen Quantencomputer Qubits (kurz für Quantenbits). Diese können nicht nur Null oder Eins sein, sondern auch beides gleichzeitig und sie können alle Zustände dazwischen einnehmen. Daher können wesentlich mehr Informationen auf einmal verarbeitet werden – der Computer wird also schneller.

Sie wollen mehr über die Funktionsweise eines Quantencomputers erfahren? Für Details lesen Sie diesen Artikel: "Wie funktioniert ein Quantencomputer?"

Doch welchen Nutzen haben Quantencomputer nun konkret? Sie können Problemstellungen lösen, die bisher unlösbar waren. Besonders stark sind sie bei Optimierungsproblemen und diese gibt es bekanntlich überall. In der Logistik können optimierte weltweite Transportnetze berechnet werden, um Lieferproblemen vorzubeugen und in der Chemie die optimale Molekülstruktur von Materialien, um wertvolle Rohstoffe zu sparen. Aber auch komplexe Produktionsprozesse beziehungsweise Montagelinien werden sich mithilfe von Quantencomputing effizienter optimieren lassen.

Weitere mögliche Einsatzgebiete und die Hoffnungen von Unternehmen lesen Sie in diesen Artikeln:

Quantencomputer IBM Quantum System One in Ehningen in Deutschland
Der erste kommerziell nutzbare Quantencomputer auf europäischem Boden: das IBM Quantum System One in Ehningen, Deutschland. (Bild: IBM)

Quantensensorik

Auch in der Sensorik können die Quanten ihre Stärken ausspielen. Hier erzielen sie Messergebnisse von einzigartiger Präzision. Es können sowohl energetische Zustände wie Temperaturen oder Geschwindigkeiten gemessen werden als auch der Ort und die Beschaffenheit von Gegenständen.

Es gibt viele verschiedene Arten von Quantensensoren, an denen momentan geforscht wird. Auch erste Umsetzungen für spezielle Anwendungen sind bereits auf dem Weg zur Marktreife. Ein Beispiel: Der photonische Quantensensor von Sick und der Trumpf-Tochter Qant, der die ultraschnelle Messung der Bewegung und Größenverteilung von Partikeln ermöglichen wird. Mit solchen Messungen können beispielsweise in der Halbleiterindustrie Partikelkontaminations-Quellen innerhalb des Herstellungsprozesses analysiert werden. Das vermeidet durch Kontaminationen hervorgerufene Produktionsstillstände. Details zum Sensor lesen Sie hier: "Quantensensoren: Wie Sick und Trumpf die Revolution anführen"

Weitere Arten von Quantensensoren und deren Einsatzmöglichkeiten, haben wir in diesem Artikel zusammengefasst: "Warum Quantensensoren immer wichtiger werden".

Quantenimaging

Mit Quantenimaging (deutsch: Quantenbildgebung) lassen sich bislang unsichtbare Dinge sichtbar machen. Dieses Teilfeld der Quantenoptik nutzt die Verschränkung von Photonen aus, um Wellenlängenbereiche sichtbar zu machen, die es anders nicht sind. Basierend darauf werden neue Bildgebungsverfahren entwickelt, die beispielsweise die Materialprüfung oder Prozessanalytik verbessern.

Eine faszinierende Variante des Quantenimaging ist beispielsweise das sogenannte Ghost Imaging. Dabei werden zwei Photonen genutzt: Eines hat eine kamerataugliche Wellenlänge, das andere ist für die Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Objekt mit einer Wellenlänge im unsichtbaren Bereich optimiert. Aufgrund der Verschränkung werden die vom zweiten Photon detektierten Informationen auf das erste übertragen und so für die Kamera sichtbar gemacht.

Auf diese Weise kann man beispielsweise durch Nebel, Staub oder andere Materie sehen oder um die Ecke schauen. Mehr zu den möglichen Anwendungen in diesem Video von QuantIC (Englisch):

Video: Anwendungsbeispiele für Quantenimaging

Quantenkommunikation

Das Feld der Quantenkommunikation enthält Disziplinen wie die Quantenverschlüsselung oder -teleportation. Der Austausch von Informationen erfolgt nicht durch das Kopieren von Informationsträgern, wie es beispielsweise mit Bits bei einem Computer der Fall ist. Stattdessen werden verschränkte Quantenobjekte genutzt, die an verschiedene Orte geschickt werden. Wird die Information des einen Objekts geändert, verändert sich auch die des anderen.

Das Besondere daran? Diese Art der Kommunikation ist abhörsicher, denn Eingriffe in die Informationsübertragung sind nicht unbemerkt möglich. Das liegt daran, dass sich unbekannte Quantenzustände nicht kopieren oder messen lassen, ohne den Zustand der Photonen zu verändern.

Quantenverschlüsselung sorgt also für mehr Datensicherheit und kann so auch Unternehmen vor Cyberangriffen schützen.

Weitere Informationen rund um Quantentechnologien

Wer auf dem Laufenden bleiben möchte, was sich in der Welt der Quantentechnologie bewegt, dem sei unser Newsblog zum Thema empfohlen – hier sammeln wir für Sie die wichtigsten Meldungen!

Weitere spannende Artikel zur Quantentechnologie finden Sie in unserem zugehörigen Fokusthema. Tauchen Sie ein in die Welt der Quanten!

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