Transistoren, Laser und LEDs beruhen bereits auf Quantenphysik – sie nutzen aber das gemeinsame Verhalten von Milliarden Teilchen. Die Quantentechnik geht einen Schritt weiter: Sie präpariert, steuert und misst einzelne Quantenzustände gezielt, etwa eines einzelnen Atoms, Photons oder supraleitenden Schaltkreises. Daraus entstehen neue Arten von Computern, abhörsicheren Verbindungen und extrem empfindlichen Messgeräten. Man spricht deshalb auch von der „zweiten Quantenrevolution“.
Zwei Quanteneigenschaften als Werkzeug
Überlagerung (Superposition): Ein klassisches Bit ist entweder 0 oder 1. Ein Qubit kann sich in einer Überlagerung beider Zustände befinden, mit bestimmten Gewichten und einer Phase dazwischen. Erst bei der Messung entscheidet es sich zufällig für 0 oder 1 – mit Wahrscheinlichkeiten, die von seinem Zustand abhängen. Anschaulich lässt sich ein Qubit als Pfeil auf einer Kugel darstellen: Nordpol ist 0, Südpol ist 1, jeder andere Punkt eine Überlagerung.
Verschränkung: Zwei oder mehr Qubits können so miteinander verbunden sein, dass sich ihr Zustand nur noch gemeinsam beschreiben lässt. Misst du eines, steht das Ergebnis am anderen in einem festen Zusammenhang fest – auch wenn es weit entfernt ist. Informationen lassen sich so übrigens nicht schneller als das Licht übertragen; die Messergebnisse sind einzeln betrachtet rein zufällig.
Quantencomputer
Mit n Qubits beschreibt der Zustand 2n komplexe Gewichte gleichzeitig. Für bestimmte Aufgaben lässt sich das ausnutzen:
- Faktorisieren großer Zahlen (Shor-Algorithmus): Bedroht heutige Public-Key-Verschlüsselung wie RSA – allerdings erst mit sehr großen, fehlerkorrigierten Quantencomputern.
- Durchsuchen unsortierter Daten (Grover-Algorithmus): quadratische statt linearer Beschleunigung.
- Simulation von Molekülen und Materialien: Hier rechnet die Natur gewissermaßen selbst – vielversprechend für Chemie und Werkstoffforschung.
Bei eigens dafür ausgewählten Testproblemen wurden Beschleunigungen um viele Zehnerpotenzen gemeldet – 2015 etwa um den Faktor 100 Millionen bei einem Optimierungsproblem gegenüber einem klassischen Vergleichsverfahren. Solche Rekorde lassen sich aber nicht auf beliebige Aufgaben übertragen. Für gewöhnliche Aufgaben wie Textverarbeitung oder Grafik ist ein Quantencomputer nicht schneller. Er wird klassische Rechner ergänzen, nicht ersetzen.
Physikalisch gibt es mehrere Wege, Qubits zu bauen. Am weitesten verbreitet sind supraleitende Schaltkreise – winzige LC-Schwingkreise mit Josephson-Kontakten auf einem Chip, gekühlt auf rund 10 bis 20 mK (siehe Supraleitung). Weitere Ansätze sind in elektromagnetischen Fallen gehaltene Ionen, neutrale Atome in Laserfeldern, Photonen und Elektronenspins in Silizium. Manche Systeme nutzen auch mehr als zwei Grundzustände: Ein Element mit drei Zuständen heißt Qutrit, allgemein mit d Zuständen Qudit.
Quantenkommunikation
Bei der Quantenschlüsselverteilung (QKD, etwa nach dem BB84-Verfahren von 1984) tauschen zwei Partner einzelne Photonen in zufällig gewählten Polarisationen aus. Jeder Lauschangriff stört die Quantenzustände messbar, weil eine Messung den Zustand verändert. So können die Partner feststellen, ob der gemeinsam erzeugte Schlüssel abgehört wurde. QKD läuft bereits über Glasfaserstrecken von mehr als 100 km und über Satelliten.
Parallel dazu wird die klassische Kryptografie umgestellt: Post-Quanten-Kryptografie verwendet mathematische Verfahren, die nach heutigem Wissen auch ein Quantencomputer nicht brechen kann. Das US-Normungsinstitut NIST hat 2024 erste solche Standards veröffentlicht.
Rechnen mit Licht
Ein Teil der Forschung versucht, Schaltfunktionen direkt mit Photonen umzusetzen. Ein Beispiel ist der optische Transistor: In einem genau abgestimmten optischen Resonator schaltet ein einzelnes „Gate-Photon“ einen Lichtstrahl aus vielen Photonen durch oder sperrt ihn – ähnlich wie ein kleiner Basisstrom den Kollektorstrom eines Bipolartransistors steuert. Solche Bauelemente könnten einmal sehr schnelle und sparsame Schaltungen ermöglichen, sind aber noch Laborexperimente.
Quantensensorik und Quantennormale
Quantenzustände reagieren extrem empfindlich auf ihre Umgebung. Was beim Rechnen stört, ist beim Messen ein Vorteil:
- Atomuhren zählen die Schwingungen eines atomaren Übergangs. Die Sekunde ist über Cäsium definiert; optische Uhren gehen in Milliarden Jahren um weniger als eine Sekunde falsch.
- SQUIDs und optisch gepumpte Magnetometer messen Magnetfelder bis hinunter zu Femtotesla – genug für die Signale von Herz und Gehirn.
- NV-Zentren in Diamant (Fehlstellen aus Stickstoff und einer Lücke) dienen als winzige Sensoren für Magnetfeld und Temperatur, sogar bei Raumtemperatur.
Seit der Reform des SI-Einheitensystems 2019 beruhen auch elektrische Einheiten auf Quanteneffekten: Das Volt wird über den Josephson-Effekt realisiert, das Ohm über den Quanten-Hall-Effekt. Ein Spannungsnormal im Kalibrierlabor ist damit direkt an Naturkonstanten gebunden – mehr zur Genauigkeit von Messungen unter Messfehler und Messunsicherheit.
Selbsttest
Was unterscheidet ein Qubit von einem klassischen Bit?
Ein Qubit kann sich in einer Überlagerung von 0 und 1 befinden; erst die Messung liefert zufällig 0 oder 1.
Warum ist Dekohärenz das Hauptproblem von Quantencomputern?
Störungen aus der Umgebung zerstören die Überlagerungszustände, bevor die Rechnung abgeschlossen ist.
Auf welchem Quanteneffekt beruht das heutige Spannungsnormal?
Auf dem Josephson-Effekt in supraleitenden Kontakten.