Technische Anwendungen
Auf der Suche nach Anwendungen der Quantenmechanik könnten wir es uns leicht machen: Zum Beispiel ermöglicht der Tunneleffekt die Funktion von Transistoren, die in jedem Laptop, Telefone oder Smartwatches stecken. Mühelos können wir eine ganze Liste von derartigen Anwendungen aufzählen – Laser etwa oder supraleitende Bauelemente – und wir würden schnell merken, dass ohne Quantenmechanik unsere moderne Technik nicht funktionieren würde. Diese Nutzbarmachung der Quantenmechanik, die in den uns heute vertrauten Geräten resultiert, und im Prinzip vor 100 Jahren in der Formulierung der Quantenmechanik ihren Ursprung hat, heisst erste Quantenrevolution.
Aber die wirklich faszinierenden Eigenschaften von Quantenzuständen – Verschränkung und Überlagerung – werden bei solchen Anwendungen nicht gezielt einzeln gesteuert, sondern nur “passiv” genutzt. Das schöpft die Möglichkeiten der Quantenmechanik nicht voll aus.
Wir können aber aus der Theorie der Quantenmechanik folgern, dass es möglich ist, Quantencomputer zu bauen, die für ganz spezifische Anwendungen unglaublich viel schneller rechnen können, als die uns vertrauten “klassischen” Computer. Diese Quantencomputer könnten über ein Quanteninternet kommunizieren und dabei Verschlüsselungssysteme nutzen, die durch Quanteneffekte extrem sicher gegen Abhörangriffe sind. Schnelle Quantencomputer und sichere Quantenkommunikation sind im Moment noch ein Zukunftsszenario woran mit Hochdruck geforscht und entwickelt wird. In den letzten zehn Jahren engagierten sich auch grosse IT-Unternehmen mit eigenen Entwicklungsabteilungen und grossen Investitionen und es gibt eine breite Landschaft von Start-Ups die verschiedene Quantentechnologien anbieten. Weiter werden die Eigenschaften quantenmechanischer Systeme, wie Superposition und Verschränkung in Sensoren benutzt um physikalische Grössen mit extrem hoher Präzision zu messen (Quantum Sensing).
Diesen neuen Schwung in der technischen Nutzbarmachung von Quantenmechanik, der seinen Ursprung in der Formulierung der Prinzipien der Quantenkommunikation in den 1960er Jahren hat, nennt man zweite Quantenrevolution. Wir sind mittendrin in diesem spannenden Prozess!
Supraleitender Zug
Zurück: Nobelpreise
Weiter: Forschung an der UZH
Mehr über Supraleitung
Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen ihre physikalischen Eigenschaften ändern: Im supraleitenden Zustand, unterhalb einer für das Material spezifischen Temperatur — der Sprungtemperatur — verschwindet der elektrische Widerstand. Dies ist ein quantenmechanischer Effekt.
Supraleitung wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes an Quecksilber entdeckt, das bei 4.2 K (-269oC) supraleitend wird. Viele Metalle sind supraleitend aber normalerweise liegt die Sprungtemperatur unter -200oC, was bedeutet, dass die Materialien mit flüssigem Helium gekühlt werden müssen, um supraleitend zu werden.
Supraleiter und Magnetfelder: Im supraleitenden Zustand tritt der Meissner-Ochsenfeld-Effekt auf, d. h. im Innern des Materials wird ein äusseres Magnetfeld vollständig verdrängt. In einem äusseren Magnetfeld werden an der Oberfläche Magnetfelder durch Ströme aufgebaut, die das Magnetfeld kompensieren. Ein nicht zu starkes Magnetfeld dringt nur etwa 100 nm tief in das Material ein; diese dünne Schicht trägt die Abschirmströme. In einem sogenannten „harten“ Supraleiter dringt ein äusseres Magnetfeld partiell in den Supraleiter ein, was zur Folge hat, dass der Supraleiter in einer stabilen Lage über einem starken Magneten schwebt.
Supraleitende Materialien werden technisch in erster Linie für die Erzeugung extrem starker Magnetfelder eingesetzt, zum Beispiel in Kernfusionsanlagen, am Teilchenbeschleuniger LHC am CERN, an dem supraleitende Magnete die Strahlen lenken und fokussieren oder in der Medizin. Hier werden in der Magnetresonanztomographie (MRT) starke Magnetfelder für präzise medizinische Bildgebung benutzt. Weitere Anwendungsfelder sind Quantencomputer oder supraleitende Kabel zur verlustfreien Stromübertragung.
Mehr über Quantentechnologien
Quantentechnologie ist ein sehr spannendes und schnell fortschreitendes Forschungs- und Entwicklungsfeld. Sie nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik — wie Überlagerung, Verschränkung und Quantentunneln — um neue Technologien zu entwickeln, die klassische Systeme weit übertreffen können. Beispiele sind
- Quantencomputing: Quantenbits (Qubits) können gleichzeitig in mehreren Zuständen existieren (Superposition) und miteinander verschränkt sein. Das ermöglicht extrem schnelle Berechnungen für komplexe Probleme, z. B. in Kryptographie, Materialwissenschaft oder Optimierung.
- Quantenkommunikation: Sichere Kommunikation kann durch Quantenkryptographie erreicht werden. Dank der Quantenverschränkung kann man Manipulationen sofort erkennen.
- Quantensensoren: sind extrem präzise Sensoren, die Quanteneffekte nutzen, um minimale Änderungen in Magnetfeldern, Gravitationsfeldern oder Zeitmessung zu erkennen. Dies wird zum Beispiel in der Medizintechnik angewendet, um mit Hilfe von extrem empfindliche Quantensensoren (SQUIDS), die allerkleinsten Magnetfeldänderungen registrieren können. Damit können Herzkrankheiten erkannt oder eine Echtzeitmessung von Hirnaktivitäten gemacht werden.
- Quantenmaterialien: sind Materialien, deren makroskopische Eigenschaften direkt von Quantenphänomenen abhängen, z. B. Supraleiter oder topologische Isolatoren.
Bei Quantencomputern ist der Stand der Dinge ist wie folgt: Es gibt bereits viele kommerzielle Produkte, etwa Quantencomputer vom kanadischen Unternehmen D-wave oder von IBM für ca. 10 Mio CHF. Gekauft werden diese vor allem zum “testen” der Technologie, denn sie sind noch nicht gut genug, um gegenüber herkömmlichen Computern die Nase vorn zu haben. Gleichzeitig wird noch geforscht, welche Technologie-Plattform für Quantencomputing am besten geeignet ist. Es ist noch nicht klar, was das “Silizium der Quantencomputer” sein wird. Wenn dieser Moment aber gekommen ist, wollen alle Akteure so gut wie möglich vorbereitet sein. Softwareanbieter entwickeln darum schon jetzt Quanten-Programmiersprachen (Microsoft Q#, Google Cirq, IBM qiskit, ...), und Banken loten aus, wie eine Welt mit Quantum Finance funktionieren kann. Kurzum, die derzeitigen Entwicklungen in der Quantentechnolgie sind geprägt von grossen Unsicherheiten, Erwartungen und Möglichkeiten. Sie könnten zu den grundlegendsten technolgischen Neuerungen seit der Erfindung der klassischen Computer führen.