Quantentechnologien: Innovationen in einer neuen Dimension
Die Gesetze der Quantenmechanik halten das Universum seit 13,8 Milliarden Jahren zusammen. Seit einigen Jahrzehnten beginnen Menschen, sich diese Gesetze aktiv zu Nutze zu machen. Seither verändern Quantentechnologien die Welt.
Im Zuge der 1. Quantenrevolution sind Multi-Milliardenmärkte entstanden: Digitale Informationstechnik und Datenübertragung, Lasertechnologie, Photovoltaik, moderne Beleuchtungstechnik, bildgebende Diagnostik und zerstörungsfreie Qualitätskontrolle machen sich die Quantenmechanik ebenso zunutze, wie die Entwicklung von neuen Wirk- und Werkstoffen. Während diese 1. Quantenrevolution darauf basierte, große Mengen an Quanten systematisch zu kontrollieren aber letztlich indirekt zu nutzen, geht es in der nun eingeläuteten 2. Quantenrevolution um die direkte Kontrolle und aktive Manipulation von einzelnen Quanten. Quanten selbst werden zum Instrument, das Messungen und sensorische Information in nie dagewesener Präzision liefert, für ein Höchstmaß an Sicherheit in der Quantenkommunikation oder Rechenleistungen im Quantencomputing sorgt, die mit herkömmlicher Technik nicht machbar sind.
- Quantencomputing
- Quantensimulation
- Quantennetzwerke
- Quantenkommunikation
- Quantenkryptografie
- Quantensensorik
- Quantenimaging
- Quantenmesstechnik
Die Grundprinzipien all dieser Anwendungen basieren auf den Gesetzmäßigkeiten in der Dimension der Photonen, Ionen, Elektronen oder Atome, welche der Menschheit lange verborgen waren. Erst in den letzten beiden Jahrhunderten haben Forscher wie Max Planck, Albert Einstein, Werner Heisenberg, Max Born, Louis des Broglie, Richard Feynman, John Stewart Bell und viele mehr diese Gesetzmäßigkeiten ans Licht gebracht. Heutige nutzen Akteure der Quantentechnologien diese Gesetze, um Computer, Kommunikationsnetze sowie Sensorik und Messtechnik zu entwickeln, die die Dimensionen des bisher Machbaren sprengen.
Quantenmechanik – aus einem wissenschaftlichen Streitfall wird ein Multi-Milliardenmarkt
Die Physik hat lange gestritten. Besteht Licht aus Wellen oder Teilchen? – Thomas Young schuf 1801 mit seinem berühmten Doppelspaltversuch vorerst Klarheit: Fällt Licht durch zwei µm-dünne Spalten, zeichnen sich dahinter Überlagerungsmuster ab, die nur durch die Beugung von Wellen an den beiden Engstellen erklärbar sind. Doch Albert Einstein zeigte 100 Jahre später in seiner Nobelpreis-prämierten Arbeit zum photoelektrischen Effekt, dass Licht eben auch aus Teilchen bestehen muss. Denn bestrahlt man negativ geladene Metalloberflächen jeweils mit weißem und UV-Licht gleicher Intensität, dann löst nur das kurzwellige UV-Licht Elektronen aus dem Metall. Langwelliges Licht bewirkt keinerlei Entladung. Neben kontinuierlichen Wellen muss Licht quantisierte Pakete – Photonen – enthalten. Ihr Energiegehalt lässt sich über die Frequenz und das von Max Planck erforschte Planck`schen Wirkungsquantum errechnen.
Heute weiß die Physik, dass das Paradoxon vom Welle-Teilchen-Dualismus nicht nur für Licht gilt. Jedes quantifizierbare Teilchen – auch Elektronen, Ionen oder Atome – weist diesen Dualismus auf. Louis des Broglie lag mit dieser Hypothese 1924 richtig, wie ein weiterer Doppelspaltversuch zeigte: Beim Beschuss mit einzelnen Elektronen zeichnete sich hinter dem Doppelspalt ein Interferenzmuster ab, das von gebeugten, einander überlagernden Wellen herrühren muss. Fazit: Auch ein Elektron ist Welle und Teilchen in einem.
Auf dieser Basis hat sich im letzten Jahrhundert ein immer tieferes Verständnis jener ganz eigenen Gesetze entwickelt, denen die Quantenwelt folgt. Oft sind diese kaum zu begreifen: Seien es Superpositionszustände oder Heisenbergs Unschärferelation, laut der zwei komplementäre Eigenschaften eines Quantensystems nicht gleichzeitig in scharf definierte Werte zu fassen sind, oder sei es jene spukhafte Fernwirkung, die verschränkte Quantenpaare über weite räumliche Trennungen hinweg verbindet. Sie weisen jeweils die exakt komplementären Eigenschaften des anderen auf; misst man eines, kennt man den Zustand des anderen.
Der einstige Wissenschaftsstreit hat einen rasanten Erkenntnisgewinn ausgelöst. Auf den Grundlagen der Quantenmechanik sind schon in der 1. Quantenrevolution Multi-Milliardenmärkte entstanden. Auch für die 2. Phase dieser Revolution zeichnet sich ein enormes Marktpotenzial ab. Die Pioniere beider Revolutionen treffen Sie auf der World of Quantum und gleich nebenan auf der Laser World of Photonics.