Wie weit sind die Quantentechnologien? Und was meinen wir eigentlich, wenn wir das Wort Quantum verwenden? Senior Adviser Ulrich Busk Hoff forscht und kommuniziert seit mehreren Jahren über die Quantenphysik. Hier gibt er einen Überblick über ein sich schnell entwickelndes Feld.
Was ist Quantentechnologie?
Es handelt sich um den Bereich der Technologien, in dem die Quantenphysik aktiv genutzt wird. Das sind Technologien, die nur mithilfe quantenphysikalischer Phänomene möglich sind. Dabei handelt es sich typischerweise um Phänomene wie die Überlagerung, bei der ein Objekt, beispielsweise ein Atom, mehr als einen Wert annehmen oder sich gleichzeitig an mehr als einem Ort befinden kann, und die Verschränkung, bei der ein Objekt, beispielsweise ein Atom, physisch getrennt ist von einem anderen Atom stammen, aber dennoch so verbunden sind, dass ein Aufprall eines Atoms auch Auswirkungen auf das andere hat.
Die Quantenphysik ist mehr als 100 Jahre alt. Was gibt es Neues?
Die Ideen sind tatsächlich alt – sie stammen aus der Zeit von Niels Bohr und Einstein –, aber wir haben jetzt ein Stadium erreicht, in dem die Theorien bewiesen wurden und wir beginnen können, sie in die Praxis umzusetzen. Dies ist uns möglich, weil wir heute quantenphysikalische Systeme wie Atome, Elektronen oder Photonen so steuern können, dass sie für technische Lösungen wie Verschlüsselung, Sensoren und Computer genutzt werden können – obwohl das meiste davon noch immer nur in Laboren möglich ist .
Welche Quantentechnologie ist am ausgereiftesten?
Wir sind in puncto Verschlüsselung und Sensoren ziemlich weit fortgeschritten. Im vergangenen Jahr hat die DTU an mehreren Demonstrationsexperimenten teilgenommen, bei denen quantenverschlüsselte Daten zwischen zwei geografischen Standorten gesendet wurden.
Bei Quantensensoren gibt es bereits viele verschiedene Typen, die physikalische Größen mit äußerster Präzision messen können. Einige können winzige Variationen im Gravitationsfeld messen. Dies kann beispielsweise bei Bauarbeiten zur Untergrundkartierung vor dem Bau oder zur Vorhersage von Erdbeben genutzt werden. Andere Sensoren messen Magnetfelder beispielsweise von Muskelaktivitäten und Nervenbahnen und haben großes Potenzial in Bereichen wie der medizinischen Diagnose. Magnetfeldsensoren können auch für militärische Zwecke wie die Navigation eingesetzt werden.
Der Quantencomputer ist wahrscheinlich die unausgereifteste Technologie.
Warum gibt es so viel Hype um den Quantencomputer?
Es gibt verschiedene Gründe. Was den Hype auslöste und ihn in gewisser Weise immer noch antreibt, ist ein Algorithmus für Quantencomputer, den Peter Shor, ein amerikanischer Mathematiker und Professor am MIT, 1994 entwickelte. Shors Algorithmus ermöglicht es einem leistungsstarken Quantencomputer, die RSA-Verschlüsselung zu knacken . Dies ist die Verschlüsselung, die häufig verwendet wird, wenn wir Daten im Internet senden.
Aber es gibt auch eine klare Annahme, dass Quantencomputer irgendwann in der Lage sein werden, viele andere Berechnungen durchzuführen, die mit einem gewöhnlichen Computer unmöglich sind. Daher wird Quantencomputern ein großes Marktpotenzial prognostiziert. Mit anderen Worten: Wer den Quantencomputer realisieren kann, kann viel Geld verdienen.
Und der Hype ist auch darauf zurückzuführen, dass der Quantencomputer so schwierig zu entwickeln ist und für viele unverständliche Quantenphänomene ausnutzt. Die Faszination für die Technologie selbst trägt zum Hype bei.
Wann werden wir Quantencomputer haben?
Von einem ausgereiften Quantencomputer sind wir noch sehr weit entfernt. Es ist noch unklar, welches physikalische System die Quantenbits bilden wird, die im Quantencomputer quantenmechanisch genutzt werden können. Einige testen Photonen, andere Atome oder Ionen – und wieder andere Elektronen in supraleitendem Material. An einigen Stellen werden mechanische Schwingungen eingesetzt. Auf allen diesen Plattformen weltweit wird Forschung und Entwicklung betrieben.
Berechnungen zeigen, dass ein Quantencomputer 10–20 Millionen Quantenbits benötigt, um eine RSA-Verschlüsselung zu knacken. Derzeit liegt der größte Quantencomputer in der Größenordnung von 430 Quantenbits. Es liegt also noch ein weiter Weg vor uns. Auch auf die Gefahr hin, für die Nachwelt zum Gespött zu werden, schätze ich, dass es noch weitere 20 Jahre dauern wird, bis wir einen Quantencomputer haben, der diese Erwartungen erfüllt.
Bekomme ich einen Quantencomputer zu Hause?
Ich beantworte diese Frage auf der Grundlage des heutigen Stands der Technologie und dessen, was ein Quantencomputer unserer Meinung nach gut kann – und vor diesem Hintergrund würde ich vermuten, dass Quantencomputer nichts sein werden, was wir zu Hause haben werden. Es ist für sehr spezifische und umfangreiche Berechnungen gedacht. Es wird kein Computer sein, mit dem wir auf Facebook gehen oder YouTube-Videos ansehen können.
Ich denke, dass der Quantencomputer eine ähnliche Rolle spielen wird wie HPC (High Performance Computing), zu dem man heute Zugang kaufen kann, wenn man umfangreiche Berechnungen durchführen muss. Aber ich könnte völlig falsch liegen. Die Technologie entwickelt sich oft völlig anders als wir vorhersagen, sodass wir in 30 Jahren möglicherweise alle mit einem Quantencomputer in der Tasche herumlaufen werden.
Muss man sich als Nicht-Physiker für Quantenphysik interessieren?
Quantenphänomene wie Superposition und Verschränkung sind ein höchst faszinierender Teil der Natur, der in uns Menschen Staunen hervorrufen und völlig neue Gedanken anregen kann. Anstatt mit Scheuklappen durch die Welt zu rasen, lässt es uns innehalten und erkennen, dass die Natur viel mehr zu bieten hat, als das, was man auf den ersten Blick sieht. Es ist wie das Firmament. Schwarzen Löchern und „Dunkler Materie“ könnten wir grundsätzlich gleichgültig gegenüberstehen, aber ich denke, es geht um Faszination, Allgemeinbildung und das Bewusstsein dafür, was die Natur eigentlich enthält.
Derzeit begegnen wir den Anwendungen der Quantentechnologie nicht in unserem Alltag. Das heißt, wenn wir über sie sprechen, müssen wir über Quantenphänomene sprechen. Sie fordern uns heraus, weil wir beispielsweise keine Erfahrung mit Überlagerungen in unserer sichtbaren Welt haben, die der konventionellen Physik unterliegt, in der sich Objekte wie ein Stuhl nur an einer Stelle im Raum befinden können.
Aber ich denke, wenn wir anfangen, Quantentechnologie zu nutzen, werden wir uns nicht mehr auf die zugrunde liegenden Quantenphänomene konzentrieren. Dies ist in der Tat auch bei anderen Technologien wie PCs und Mobiltelefonen der Fall. Die meisten von uns denken nicht darüber nach, wie sie funktionieren. Aber wir wissen, wie man sie nutzt.