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:
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".
Auf welchen physikalischen Phänomenen basiert Quantentechnologie?
Die physikalischen Eigenschaften der Quanten ermöglichen hauptsächlich den Zugang zu mehr Informationen, mit denen gearbeitet werden kann. Genutzt werden dafür beispielsweise die folgenden Phänomene:
- Superposition: Quanten können gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen und befinden sich dann in einer sogenannten Superposition. In diesem Zustand verhalten sie sich nicht mehr wie Teilchen, sondern wie Wellen. Erst bei der Messung wird der Zustand eindeutig auf einen bestimmten Zustand festgelegt. Ein bekanntes Gedankenexperiment dazu ist Schrödingers Katze
- Quantenverschränkung: Die Verschränkung beschreibt eine besondere Kopplung zwischen Quanten, die unter anderem auftritt, wenn die Teilchen miteinander wechselwirken. Sie bilden dann ein Gesamtsystem, in dem die Quanten nicht mehr einzeln beschrieben werden können, sondern voneinander abhängig sind. Eine Zustandsmessung bei dem einen Quant führt dann automatisch zu einer Zustandsänderung des anderen Systems – auch, wenn sie weit voneinander entfernt sind.
- Heisenbergsche Unschärferelation und Tunneleffekt: Die Unschärferelation von Werner Heisenberg besagt, dass zwischen Ort und Impuls auf atomarer Ebene eine Unschärfe existiert. Das bedeutet, dass man Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig exakt kennen kann. Je genauer man die Position kennt, desto größer wird die Unschärfe des Impulses, und umgekehrt. Dies gilt außerdem für weitere komplementäre Messgrößen, wie beispielsweise Energie und Zeit. Verbunden mit der Unschärferelation ist der Tunneleffekt, welcher auch bei Quantencomputern genutzt wird.
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:
Die Autorin Julia Dusold ist Technik-Redakteurin bei mi connect. Sie beschäftigt sich mit verschiedenen Fertigungstechnologien, zum Beispiel der Zerspanung, der Lasertechnik und dem 3D-Druck. Außerdem in Julias Portfolio: Zukunftstechnologien wie Künstliche Intelligenz und Quantentechnologie. Gemeinsam mit der Wirtschaftsredakteurin Anja Ringel produziert und moderiert sie den Interview-Podcast Industry Insights.
Vor ihrer Arbeit bei mi connect hat Julia zuerst Physik und dann Wissenskommunikation studiert. In ihrer Freizeit ist sie gerne am, im und auf dem Wasser unterwegs oder reist auf diverse Weisen in fiktive Welten.
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".
Podcast: Qant-CEO über Quantentechnologie in der Industrie
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!
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