Quanten-Technologien

In einem klassischen Computer können Bits entweder eins oder null sein. Quantenbits hingegen können auch beides gleichzeitig sein, wodurch die Computer Gleichungen und Algorithmen viel schneller verarbeiten können. Die Quantenbits befinden sich in Quantenchips, die der Quantencomputer benötigt, um zu funktionieren. Die Chips sind der springende Punkt, wenn es um das Potenzial von Quantencomputern geht. Es werden Tausende bis Millionen von Qubits benötigt. Aus heutiger Sicht muss der Produktionsprozess noch verbessert werden, um diese Zahlen zu erreichen. Eine effiziente Produktion von Quantencomputerchips ist elementar für die Zukunft der Quantencomputer. 

Die Entwicklung und der Bau von Quantencomputern sind sehr zeitaufwändig, teuer und komplex. Im Entwicklungsprozess ist es schwierig, Quantencomputerprogramme Schritt für Schritt zu testen, so dass der Algorithmus immer von vorne nach hinten abläuft, ohne Zwischenzustände zu kommunizieren. Quantensimulationen sind Quantensysteme, die es aufgrund ihrer Kontrollierbarkeit ermöglichen, die Funktionen des Quantencomputers zu imitieren und damit zu testen. Die Ergebnisse der Tests sind kaum berechenbar, da die Gesetze der Quantenphysik nicht vorhersagbar und für die heute verfügbare Rechenleistung zu komplex sind. Quantensimulationen sind daher eine wertvolle Ressource für die Forschung.  

In Zukunft wird die Quantenkommunikation unsere Kommunikationskanäle und persönlichen Daten wie Patientenakten, soziale Netzwerke oder den E-Mail-Verkehr sicherer machen und vor Abhören und Manipulation schützen. Aber auch die Fremdsteuerung von autonomen Autos, Kernkraftwerken und Stromnetzen sowie Hackerangriffe, Datenlecks und Industriespionage sollen verhindert werden, indem jede Störung nachweisbar gemacht wird: Eine Photonenquelle erzeugt verschränkte Photonenpaare, deren Eigenschaften sich gegenseitig ergänzen. Wird also der Zustand des einen Photons gemessen, kann der Zustand des anderen berechnet werden. Dies wird für die physikalische Verschlüsselung von Kommunikation genutzt, da Versuche, die Kommunikation zwischen Photonen zu stören, dazu führen, dass ihre Verschränkung zerfällt und sofort sichtbar wird. Auf diese Weise können Informationen über kurze und lange Strecken gesichert werden. 

Die Quantenbildgebung ist ein bildgebendes Verfahren, dessen Forschungsgebiet noch recht jung ist und bei dem Objekte nach bestimmten Kriterien abgebildet werden sollen, die die klassische Optik nicht mehr bietet. Dabei werden die Quanteneigenschaften des Lichts und, wie in der Quantenkommunikation, auch die Eigenschaften von verschränkten Photonen genutzt. 

In Zukunft wird daran gearbeitet, die Größe der Geräte zu verringern und die Auflösung der Bilder zu erhöhen, so dass die Technologie zum Beispiel in bestehende Mikroskopiesysteme integriert werden kann.  

Auf diese Weise könnte die Quantenbildgebung unter anderem im medizinischen Bereich von Vorteil sein, da biologische Systeme genauer untersucht werden können. Wenn zum Beispiel bisher nicht darstellbare Schwingungen oder Biostoffe plötzlich sichtbar gemacht werden können, könnte die Technologie bei der Erkennung und Behandlung bestimmter Krebsarten hilfreich sein.  

Während mit klassischen Sensoren physikalische Signale gemessen werden können, basieren die Sensoren für das Quantensensorik auf einzelnen Atomen und können daher Messungen vornehmen, die mit einem "normalen" Sensor nicht denkbar wären. Das liegt nicht daran, dass Quantensensoren genauer sind, sondern einfach daran, dass sie andere Dinge messen können, wie zum Beispiel die magnetische Feldstärke. Trotz dieses technischen Erfolgs gibt es noch einige Hindernisse für die Quantensensorik. Ein besonders wichtiges ist die Anwendung außerhalb von Laboren, die nicht oder kaum möglich ist. Derzeit wird die Quantensensorik unter anderem für die autonome Navigation von Fahrzeugen, für detailliertere Diagnosebilder in der Medizin oder für die Erkennung von Schwerkraftänderungen eingesetzt. Eine Idee ist es, die Systeme in Zukunft tragbar zu machen, sogar so klein wie ein Chip für ein Smartphone, so dass z.B. die Messung chemischer Zusammensetzungen direkt auf dem Telefon angezeigt werden kann.  

In den kommenden Jahren werden sich ganze Anwendungsbereiche wie das Finanzwesen, die Medizin oder die Logistik revolutionieren, da die Technologie dann auch außerhalb von Laboren eingesetzt werden kann und die Vorteile nutzbar werden. Unternehmen, die die Quantentechnologie nicht nutzen, werden schon bald einen Wettbewerbsnachteil spüren. Eine frühzeitige Auseinandersetzung mit dem Thema und die Umsetzung entsprechender Anwendungen ist daher durchaus sinnvoll.