Quantentechnologie: Ursprung, Prinzipien & Potenziale
Mit der zweiten Quantenrevolution rücken nicht mehr nur theoretische Konzepte, sondern die direkte Kontrolle einzelner Quanten in den Mittelpunkt – und die Potenziale sind enorm. Erfahren Sie, welche Quantentechnologien derzeit entwickelt werden und erleben Sie diese live auf der World of Quantum – der Messe für Quantentechnologie.
Von der Quantenforschung zur Quantentechnologie
Die Gesetze der Quantenmechanik halten seit 13,8 Milliarden Jahren das Universum zusammen. Seit einigen Jahrzehnten beginnt der Mensch, diese Gesetze aktiv zu nutzen. Seitdem verändern Quantentechnologien die Welt.
Die erste Quantenrevolution
Die erste Quantenrevolution fand im 20. Jahrhundert statt und markiert den Übergang vom klassischen zum quantenphysikalischen Weltbild. Sie begann mit der Entdeckung grundlegender Phänomene wie dem photoelektrischen Effekt, der Quantenhypothese und dem Welle-Teilchen-Dualismus.
Im Zuge der ersten Quantenrevolution sind Milliardenmärkte entstanden:
- Digitale Informationstechnik und Datenübertragung
- Lasertechnologie
- Photovoltaik
- moderne Beleuchtungstechnik
- bildgebende Diagnostik
- zerstörungsfreie Qualitätskontrolle
- Entwicklung neuer Materialien und Werkstoffe.
Die zweite Quantenrevolution
Während die erste Quantenrevolution auf der systematischen Kontrolle, aber letztlich indirekten Nutzung großer Mengen von Quanten beruhte, geht es in der nun eingeleiteten zweiten Quantenrevolution um die direkte Kontrolle und aktive Manipulation einzelner Quanten. Quanten selbst werden zu Instrumenten.
Quantentechnologien und -wissenschaften haben vielfältige Anwendungen, darunter:
- Quantencomputing
- Quantensimulation
- Quantennetzwerke
- Quantenkommunikation
- Quantenkryptografie
- Quantensensorik
- Quantenimaging
- Quantenmesstechnik
Akteure der Quantentechnologie
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 Quantentechnologie diese Gesetze, um Lösungen für die unterschiedlichsten Branchen und Industrien zu entwickeln, die die Dimensionen des bisher Machbaren sprengen.
Quantenmechanik – Aus einem wissenschaftlichen Streitfall wird ein Multi-Milliardenmarkt
Bevor Quantentechnologie möglich wurde, stand eine grundlegende Frage im Raum: Ist Licht eine Welle oder ein Teilchen? Die Antwort auf diesen scheinbar theoretischen Disput legte den Grundstein für das gesamte Verständnis der Quantenwelt – und damit für die Quantentechnologien, die unsere Zukunft prägen.
Welle oder Teilchen?
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.
Der Physik-Didaktiker Martin Apolin führt in 15 Folgen sehr anschaulich in die Quantenmechanik ein:
Der Welle-Teilchen-Dualismus als universelles Prinzip
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.
Pioniere der Quantentechnologie live erleben
Der einstige Wissenschaftsstreit hat einen rasanten Erkenntnisgewinn ausgelöst. Auf den Grundlagen der Quantenmechanik sind schon in der ersten Quantenrevolution Multi-Milliardenmärkte entstanden. Auch für die zweite 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.
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FAQ: Das Wichtigste zu Quantentechnologie
Quantentechnologie nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik – wie Superposition und Verschränkung –, um neuartige Technologien zu entwickeln, etwa Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quanten-Sensoren.
Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen so miteinander verbunden sind, dass der Zustand des einen Teilchens instantan den Zustand des anderen beeinflusst – selbst über große Entfernungen hinweg.
Superposition beschreibt, dass ein Quantenobjekt mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen kann – ein Qubit kann also gleichzeitig 0 und 1 sein, bis es gemessen wird.
Qubits können beispielsweise durch
- supraleitende Schaltkreise,
- Ionenfallen,
- Quantenpunkte,
- Photonen
- oder Diamantdefekte
realisiert werden.
Ethische Fragen betreffen vor allem Datensicherheit (z. B. durch mögliche Entschlüsselung heutiger Kryptografie), die technologische Ungleichheit zwischen Ländern sowie den verantwortungsvollen Einsatz dieser mächtigen Technologien.