Klingt verrückt, ist aber so!

Willkommen in der schönen neuen Quantenwelt: Weltweit arbeiten mehr und mehr Wissenschaftler an Quantenchips, die hunderttausendmal schneller rechnen sollen als herkömmliche Computer, an Netzen, die garantiert abhörsicher sind, und an Quantensensoren, die beispielsweise Hirnscanner für die Hosentasche ermöglichen.

Dreh- und Angelpunkt dieser „zweiten Quantenrevolution“ ist die gezielte Herstellung und Manipulation des wohl rätselhaftesten Phänomens der Physik: den „Quantenzuständen“. Während wir gewohnt sind, den „Zustand“ irgendeines Objekts zu beschreiben, indem wir seine makroskopischen Eigenschaften wie Ort, Masse oder Geschwindigkeit angeben, ist die Sache in der Quantenwelt bedeutend abstrakter. Eine Quantenmünze etwa hätte zwei mögliche Zustände: den Kopfzustand und den Zahlzustand. In welchem Zustand die Münze sich tatsächlich befindet, wenn man sie wirft, kann man nicht sagen. Alles, was man tun kann, ist zu messen, ob die Münze nach dem Wurf beispielsweise Kopf zeigt oder nicht.

Das führt zu einer Reihe sehr interessanter Effekte:

• Im Gegensatz zu realen Münzen, Würfeln oder Ähnlichem liefern Quantensysteme echte, statistisch unabhängige Zufallsereignisse. Das lässt sich für die klassische Kryptografie nutzen.
  
  
• Während die imaginäre Münze geworfen wird, befindet sie sich in einem „überlagerten“ Zustand – gewissermaßen Kopf und Zahl gleichzeitig. In Quantencomputern nutzen Forscher diese Tatsache, denn wenn „Qubits“ gleichzeitig den Wert Null und Eins einnehmen, kann man mit wenigen Qubits enorm viele Bitwerte berechnen.
  
  
• Gleichzeitig sind Quantensysteme extrem empfindlich gegenüber Störungen. Sie lassen sich also als hochempfindliche Sensoren nutzen.
  
  
• Erzeugt man zwei Quantensysteme, deren Zustände sich gegenseitig beeinflussen, und trennt diese Systeme dann voneinander, bleibt die gegenseitige Beeinflussung erhalten. Misst man nun die Eigenschaft eines der beiden, steht das Messergebnis im anderen System im selben Augenblick fest, auch wenn die eine Messung auf dem Jupiter und die andere auf der Erde stattfände. Da sich solche Systeme nicht kopieren lassen, bilden sie die Grundlage für ein abhörsicheres Quantennetz.

Die Möglichkeiten der Quantentechnik sind damit jedoch noch lange nicht erschöpft, denn die Diskussion um die physikalischen Grundlagen der Quantenmechanik geht weiter.

Die Themen des Fokus "Quantentechnologie":

TECHNOLOGIE: Die zweite Quantenrevolution

QUANTENCOMPUTER: Mit Ionenfallen große Player übertrumpfen

SENSOREN: Mit Diamanten ultragenaue Messsysteme schaffen

SIMULATIONEN: Mit einer Handvoll Atomen aufs große Ganze schließen

KRYPTOGRAFIE: Mit Quantenschlüsseln abhörsicher kommunizieren

KOMMUNIKATION: Chinas Vorsprung

(wst)