Innovationen der Quantenphysik.

Künstlerische Darstellung Quanten-Universum
Künstlerische Darstellung Quanten-Universum

Innovationen, die durch Quantenphysik ermöglicht werden.

Genaueste Atomuhren, winzige Datenspeicher und der Quantencomputer – das sind wohl die spektakulärsten Innovationen, die erst die Quantenphysik ermöglichte. Diese Technologien stehen noch ganz am Anfang, obwohl die theoretischen Grundlagen der Quantenphysik schon über 100 Jahre alt sind.

Quantenphysik – was ist das eigentlich?

Quantenphysik bedeutet eigentlich nichts weiter als die Annahme, dass physikalische Größen immer einen festen (diskreten) Wert haben müssen, die sogenannte Quantelung. Das widerspricht den Annahmen der klassischen Physik, die von fließenden Werten ausgeht, wurde aber ab 1900 von Max Planck theoretisch postuliert, ab 1905 durch Albert Einstein verifiziert und seither in Experimenten und inzwischen auch durch die technische Umsetzung bewiesen und genutzt. Quantenphysik oder vielmehr Quantenmechanik steckt in unzähligen praktischen Anwendungen wie Lasergeräten, Smartphones, TV-Geräten und Computern. Eigentlich funktioniert die technische Welt nur, weil die Gesetze der Quantenphysik gelten, doch viele Erfindungen wie der elektrische Strom wurden gemacht, bevor Wissenschaftler wie Planck und Einstein die genauen Gesetze der Quantenphysik auch in theoretische Modelle fassten. Für den gezielten technischen Nutzen wie etwa supergenaue Atomuhren, mikroskopische Datenspeicher und den Quantencomputer musste sich nicht nur die Technik entsprechend entwickeln, auch die Wissenschaftler mussten bereit sein, Postulate der klassischen „Newtonschen“ Physik über Bord zu werfen. In den späten 1970er Jahren ließ man noch beide Denkmodelle gleichberechtigt nebeneinander gelten, weil die Newton-Physik für die Erklärung der meisten alltäglichen Dinge genügt. Der Zustand dieser Gleichberechtigung erschien aber unbefriedigend, denn elektrischer Strom etwa bedarf zu seiner Erklärung eigentlich quantenphysikalischer Modelle. Ungefähr ab den 1990er Jahren entschloss sich eine neue Forschergeneration, konsequent „quantenmechanisch“ zu denken. Das stieß entscheidende Innovationen mithilfe der Quantenphysik erst an.

Innovationen durch Quantenphysik

Ab 2008 konnten Wissenschaftler mithilfe von Quantenphysik neue Verschlüsselungsverfahren für Nachrichten entwickeln, die spätestens ab 2018 praktisch angewendet werden sollen. Quanteneffekte in Festkörpern können Supraleitung erzeugen. Extrem genaue Atomuhren, die es inzwischen gibt, basieren ebenso auf Quantenphysik wie die Teleportation von Informationen und Holmium-Datenspeicher, die pro Atom ein Datenbit und damit auf einer Briefmarkenfläche 100.000 GB speichern können. Es gibt noch mehr solcher Innovationen, doch am meisten fasziniert die Welt der Quantencomputer. Dessen Konzept stellte der US-Nobelpreisträger Richard Feynman schon 1982 auf, doch erst ab 1995 konnten US-Forscher kleinere Prototypen davon bauen. Diese Quantenrechner, die seit 2015 praktikable Leistungen vollbringen, nur für den praktischen Einsatz bislang noch zu teuer sind, sind zu gigantischen Rechenoperationen fähig – weil sie nach Erkenntnissen der Quantenphysik konstruiert, gebaut und programmiert werden. Die eingesetzten quantenmechanischen Prinzipien sind

– Superposition (quantenmechanische Kohärenz) und
– Quantenverschränkung.

Der Einsatz dieser Prinzipien löst entscheidende Probleme der Informatik. Es wird beispielsweise die Suche in einer extrem großen Datenbank überhaupt erst möglich, auch lassen sich große Zahlen effizienter in Produkte zerlegen. Das beschleunigt mathematische Operationen auf das bis zu 100-Millionen-Fache gegenüber bisherigen Rechnern. Experten vermuten nun, dass die Quantenphysik ab 2027 eine neue Gefahr für die Sicherheit der Blockchain-Technologie bedeuten könnte. Auf Letzterer basieren die Kryptowährungen. Leistungsfähige Quantencomputer könnten nach seriösen Schätzungen des Jahres 2017 die Verschlüsselung des Hashcash-Algorithmus‘ knacken. Forscher verschiedener Universitäten aus Frankreich, Singapur und Australien warnen in einem aktuellen Positionspapier davor. Das wäre nur eine von mehreren möglichen Gefahren. Auch die Sicherheit der SSL-Verschlüsselung, die heute gängiger Standard im Internet ist und unter anderem unsere Bankdaten schützt, basiert nur auf der mangelnden Leistungsfähigkeit der gegenwärtig eingesetzten Computer. Diese könnten zwar theoretisch ein SSL-Protokoll knacken, doch das würde enorm viel Rechenleistung erfordern und lohnt sich daher praktisch nicht. Mit einem Quantencomputer ginge das sehr viel schneller. Daher ist dieser Supercomputer das sicherlich wichtigste Kind der Quantenphysik und dabei Verlockung und Gefahr zugleich.