Begriffe der Quantenwelt
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.
Quantenalgorithmen
Im Podcast von Welt der Physik berichtet Barbara Kraus, wie man Algorithmen für Quantencomputer entwickelt und welche Herausforderungen es dabei gibt.
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. Einen Blick auf die Entwicklungen der letzten 30 Jahre des Quantenrechnens beschreibt das PhysikJournal.
Quanteninternet
Worin sich das Quanteninternet vom klassischen Internet unterscheidet, welche Anwendungen es verspricht und worin die technischen Herausforderungen liegen, berichtet Andreas Reiserer von der Technischen Universität München in dieser Folge des Podcasts von Welt der Physik.
Quantenkommunikation
In Form von Lichtpulsen lassen sich große Informationsmengen durch Glasfaserkabel übertragen. Doch das ist prinzipiell nicht abhörsicher. Die Quantenkommunikation nutzt stattdessen verschränkte Photonenpaare, die basierend auf den quantenmechanischen Gesetzen verbunden sind. Abhören ist dann vergeblich. Für künftige Netzwerke der Quantenkommunikation gilt es, auf Knopfdruck zuverlässig Paare aus verschränkten Photonen zu erzeugen und mithilfe von Quantenrepeatern weite Strecken zu überwinden, wie in "Physikkonkret" erklärt.
Quantenkryptographie
Dagmar Bruß stellt im Podcast von Welt der Physik ein Verschlüsselungsverfahren vor, das auf den Gesetzen der Quantenphysik beruht und eine völlig abhörsichere Kommunikation verspricht.
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.
2. Quantenrevolution
Was ist die zweite Quantenrevolution? Und was passierte überhaupt in der ersten? Mitglieder der DPG erklären kurz und kompakt, welche neuen Anwendungen durch die zweite Quantenrevolution möglich werden und was sie für unsere Zukunft bedeuten können.
Quantensensoren
Im Podcast von Welt der Physik erklärt Friedemann Reinhard, was Quantensensoren sind und was sie besser können als ihre klassischen Gegenstücke. Anwendungen finden sie beispielsweise in der Erdbeobachtung, in der Navigation, in der Materialprüfung sowie in der chemischen oder biomedizinischen Analytik, wie in "Physikkonkret" der DPG erläutert.
Quantensimulatoren
Quantensimulatoren sollen helfen, tiefe physikalische und praktische Einsichten in die Welt komplexer Systeme, Vielteilchensysteme aber auch Optimierungsaufgaben zu gewinnen. Sie erlauben, Probleme zu lösen, an denen sich selbst Supercomputer die Zähne ausbeißen würden, wie in "Physikkonkret" erklärt.
Quantenverschränkung
Von einem rätselhaften Phänomen der Quantenphysik, das Albert Einstein „spukhafte Fernwirkung“ nannte, berichtet Tobias Schätz im Podcast von Welt der Physik.
Multiversum
Multiversum, Viele Welten, Paralleluniversen – was nach Science-Fiction klingt, hat seinen Ursprung in einer originellen Deutung der Quantenmechanik, die der amerikanische Physiker Hugh Everett III (1930 – 1982) im Jahr 1957 vorlegt hat. Diese wird auch heute noch kontrovers diskutiert… und besonders gern in Science-Fiction-Filmen aufgegriffen. Mehr dazu im Podcast von Welt der Physik und im PhysikJournal.