Wissenswertes
Die Phänomene der Quantenmechanik sind – auch in den Augen von Forschenden – bisweilen überraschend, da sie unseren alltäglichen Erfahrungen widersprechen. Dennoch haben wir die Quantenmechanik vollständig verstanden: alle Experimente stimmen mit unserer theoretischen Beschreibung überein. Dieses Verständnis der Quantenmechanik zusammen mit der Tatsache, dass viele Phänomene jenseits unserer Erwartungen liegen, hat ein riesiges Potential an technologischen Entwicklungen zu Folge – insbesondere auch solche, die wir uns heute noch nicht ausmalen können. Mit neuen Quantenalgorithmen werden Quantencomputer neue hochkomplexe Probleme lösen, Quantenmaterialien werden mit ihren vielfältigen Eigenschaften als intelligente Materialen einsetzbar sein und raffinierte Methoden der Verschränkung können zu einer ganz neuen Sensorik führen. Auf dem Gebiet der Quantenanwendungen ist der Kreativität keinerlei Grenze gesetzt. Bisher haben wir nur einen Bruchteil der Möglichkeiten erforscht.
Im Folgenden werden einige Begriffe der Quantenwelt kurz erklärt.
Quantencomputer
Im Podcast von Welt der Physik berichtet Rainer Blatt, auf welchen physikalischen Phänomenen ein Quantencomputer beruht und wie sich ein solcher Rechner technisch realisieren lässt.
Quantenkommunikation
Quantenkommunikation basiert auf einzelnen Lichtteilchen, Photonen genannt, und ermöglicht die abhörsichere Verteilung eines Schlüssels zwischen Parteien basierend auf grundlegenden Gesetzen der Quantenphysik. Die gezielte Erzeugung und Kontrolle der einzelnen Photonen ist eine Herausforderung, der sich Forscherinnen und Forscher weltweit mit modernen Quantentechnologien stellen. Im Laufe der Jahre wurden die Verfahren dafür immer weiter optimiert, sodass heutzutage einzelne Photonen sozusagen auf Knopfdruck, wie an einer Perlenkette aufgereiht, erzeugt werden können. Darüber hinaus gleichen sich die Photonen untereinander nicht nur wie ein Ei dem anderen, sie sind ununterscheidbar - im quantenmechanischen Sinne.
Quantenpunkte
Quantenpunkte bestehen typischerweise aus tausend bis zehntausend Atomen eines Halbleitermaterials. Die räumliche Ausdehnung solcher Strukturen liegt im Bereich von Nanometern. In diesen Dimensionen diktieren quantenmechanische Effekte das Geschehen und rufen erstaunliche Eigenschaften hervor. Beispielsweise dürfen die in Quantenpunkten enthaltenen Elektronen nur bestimmte Energieniveaus einnehmen – ähnlich wie in einem Atom.
Quantensensoren
Im Podcast von Welt der Physik erklärt Friedemann Reinhard, was Quantensensoren sind und was sie besser können als ihre klassischen Gegenstücke.