Quantentechnologien

Die Grundlagen der Quantentechnologie liegen in den fundamentalen Prinzipien der Quantenmechanik, welche das Verhalten von Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene beschreiben. Schon seit einiger Zeit nutzen wir Technologien, die auf quantenmechanischen Phänomenen beruhen – zum Beispiel Laser, Atomuhren oder der Kernspintomographie. Diese Technologien haben unsere Fähigkeit zur Messung, Steuerung und Manipulation von Materie auf immer feinere und präzisere Weise erweitert. Jedoch operieren sie größtenteils auf makroskopischer Ebene, indem sie die kollektiven Eigenschaften von Quantenteilchen, wie beispielsweise Licht-Intensität oder elektrische Leitfähigkeit für technologische Anwendungen nutzen. Entscheidend ist also nicht die Eigenschaft des einzelnen Teilchens, sondern vielmehr die Eigenschaft aller Teilchen.

Die “2. Quantenrevolution” konzentriert sich hingegen darauf, die gezielte Manipulation individueller quantenmechanischer Teilchen und Zustände zu nutzen. Ziel ist es, eine Reihe von Technologien zu entwickeln, die unser Verständnis der Welt vertiefen und gleichzeitig innovative Lösungen für bisher unüberwindbare Herausforderungen bieten. 
Ein Beispiel ist die Quantenkommunikation, bei der die Verschränkung von Quantenzuständen bisher unerreichte Sicherheit in der Datenübertragung ermöglicht. Quantensensoren wiederum eröffnen das Potenzial für extrem präzise Messungen, die in Bereichen wie Navigation und Diagnostik Anwendung finden könnten und die beeindruckende Rechenleistung von Quantencomputern eröffnet Wege zur Lösung komplexester Probleme. 

Qubits, oder Quanten-Bits, bilden die elementaren Einheiten der Quanteninformation und sind von entscheidender Bedeutung für die Quantentechnologie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits, die nur die Werte “0” oder “1” annehmen können, können Qubits in einem Zustand der Superposition existieren. Diese Eigenschaft ermöglicht es einem Qubit, gleichzeitig in mehreren Zuständen, zum Beispiel einem Überlagerungszustand zwischen “0” und “1”, zu sein und eröffnet damit eine große Bandbreite an Möglichkeiten. 
Durch die Fähigkeit von Qubits, gleichzeitig in verschiedenen Zuständen zu existieren, können Quantencomputer eine Vielzahl von Berechnungen parallel durchführen, was zu einer erheblichen Steigerung der Rechenleistung führt. Dies ist von entscheidender Bedeutung für die Lösung komplexer Probleme, wie sie in der Kryptographie, der Materialforschung und der Optimierung auftreten. 

Quanten-Superposition ist ein Schlüsselelement der Quantenmechanik und bildet die Grundlage für die bemerkenswerten Fähigkeiten von Qubits. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die nur den Wert “0” oder “1” einnehmen können, können Qubits in einem Zustand der Superposition existieren und gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen. Dies ermöglicht es Qubits, eine enorme Menge an Informationen parallel zu verarbeiten und eröffnet eine breite Palette von Anwendungen in der Quantentechnologie. Wenn ein Qubit ausgelesen wird, kollabiert sein Zustand der Superposition auf einen bestimmten Wert. Dieser Prozess wird als “Quantenmessung” bezeichnet und ist entscheidend, um die Informationen aus dem Qubit zu extrahieren. Im Vergleich zu konventionellen Computern, muss im Zuge einer Rechnung die Messung mehrfach wiederholt werden, um eine gute Statistik zu erhalten. Deshalb sind Quantencomputer insbesondere zur Lösung hochkomplexer und langwieriger Rechenoperationen besser geeignet als klassische Computer. Kleine Probleme werden nach wie vor von konventionellen Rechnern effizienter gelöst.  

Verschränkte Qubits können in einem Zustand enger Verbindung existieren, so dass die Zustandsänderung eines Qubits unmittelbare Auswirkungen auf das andere Qubit hat, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Dieses Phänomen spielt eine entscheidende Rolle in der Quantenkommunikation und eröffnet ein Potenzial für völlig neue Ansätze zur Informationsverarbeitung und -übertragung. Dieses rätselhafte Verhalten hat dazu geführt, dass Einstein es als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete. Bis heute ist nicht verstanden, warum diese „spukhafte Fernwirkung“ existiert.
Die Quantenverschränkung bildet die Voraussetzung der Quantenkommunikation, bei der Informationen sicher und unmittelbar übertragen werden können, und bildet einen grundlegenden Baustein für die beeindruckende Leistungsfähigkeit von Quantencomputern.