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Quantenverschränkung in der Technik

Die sog. Quantenverschränkung ist der zentrale und gleichzeitig „geheimnisvollste“ Aspekt der Quantenphysik, welche unsere Welt auf der Ebene von Atomen und Teilchen beschreibt. Bei ihr handelt es sich um eine fundamentale „Verbindung“ zwischen Quantenobjekten, die u. a. dann auftritt, wenn zwei Teilchen miteinander wechselwirken: Diese tragen dann das „Wissen“ um ihre „Begegnung“ bis zur nächsten Wechselwirkung quasi weiterhin in sich. Untereinander verschränkte Teilchen können somit prinzipiell nicht einzeln, sondern nur als Gesamtsystem beschrieben werden – auch, wenn sie sehr weit voneinander entfernt sind. Quantenverschränkung ist für viele neuartige Quantentechnologien essentiell; sie werden in ihrer Gesamtheit oft auch als „Quantenrevolution 2.0“ bezeichnet und lassen sich einerseits in die Quanteninformations- und Kommunikationstechnologien (z. B. Quantencomputer, Quantenkryptographie, Quantennetzwerke) sowie andererseits in die Quantensensoren (z. B. Quantenbildgebung) einteilen.

Die gegenwärtig weltweit erforschten, aber noch nicht praktikablen Quantencomputer nutzen gerade die Quantenverschränkung, um bei bestimmten Berechnungen (für die ein entsprechender Quantenalgorithmus existieren muss) gegenüber klassischen Computern eine zum Teil exponentiell größere Leistungsfähigkeit zu erreichen. Diese entsteht insbesondere daraus, dass [OG1]  Quantencomputer ihre Quantenbits (Qubits) miteinander verschränken bevor damit Rechenoperationen ausgeführt werden, wodurch quasi alle möglichen Berechnungen gleichzeitig stattfinden. Mit solchen Quantencomputern können prinzipiell andere Quantensysteme wie Atome, Moleküle und Festkörper effizient simuliert werden, was zu ganz neuen Möglichkeiten in der Entwicklung neuer Materialien führen könnte. Außerdem könnten sie Big-Data- und insbesondere KI-Anwendungen erheblich beschleunigen. Allerdings kann ein universeller Quantencomputer jedoch auch bestimmte gebräuchliche Verschlüsselungssysteme brechen, wie z. B. die im Internet verwendeten Public-Key-Verfahren. Für einen nützlichen universellen Quantencomputer braucht man je nach auszuführendem Quantenalgorithmus mindestens einige 1000 perfekte Qubits. Die Quantenverschränkung ist jedoch eine extrem flüchtige und kurzlebige Eigenschaft, gegen deren raschen Zerfall schon bei kleinsten Störungen aus der Umgebung aufwendige Quantenfehlerkorrekturverfahren angewendet werden müssen. Diese benötigen wiederum viele zusätzliche Hilfs-Qubits, um Fehler bei den zur Berechnung benutzen Qubits zu erkennen und rückgängig machen zu können. Daher sind mindestens etwa eine Million solcher imperfekten, physikalischen Qubits nötig, weshalb mit praktisch nutzbaren universellen Quantencomputern somit wohl erst mittel- bis langfristig, d. h. allerfrühestens in etwa 15 Jahren, zu rechnen ist.

Demgegenüber ermöglicht die Quantenkryptographie mithilfe der Quantenverschränkung einen aus physikalischen Gründen abhörsicheren sog. Quantenschlüsselaustausch: Hier wird ausgenutzt, dass man mit einem geeigneten Verfahren beim Übertragen von verschränkten Quantenzuständen prinzipiell erkennen kann, wie viele Qubits auf ihrem Weg zum Empfänger von Dritten mitgelesen wurden. Ist diese Menge nicht zu groß, so kann anschließend die Information, die der Angreifer potenziell über den ausgetauschten Schlüssel hat, beliebig klein gemacht werden. Während kleinere Netzwerke zum Quantenschlüsselaustauch über Glasfaserkabel in einigen Ländern schon im Betrieb sind, ist ein echtes sog. Quantennetzwerk, das insbesondere Quantencomputer an verschiedenen Orten miteinander verschränken und somit verbinden kann, noch Zukunftsmusik. In ca. 5 Jahren könnte immerhin mit einer ersten Demonstration des Prinzips mit mindestens 3 Knoten über 50–100 km Entfernung gerechnet werden.

Bei den verschiedenen Verfahren der Quantenbildgebung wird ganz allgemein die Quantenverschränkung zwischen Photonen als zusätzliche „Ressource“ genutzt, um verschiedene Eigenschaften klassischer optischer Abbildungen zu verbessern. So soll es z. B. mit sog. quantenlithographischen Verfahren möglich werden, Halbleiterstrukturen für Computerchips zu fertigen, die viel kleiner sind als die Wellenlänge des zur Belichtung verwendeten Lichts, oder mit sog. NOON-Mikroskopen vor allem lichtempfindliche biologische Proben mit höheren Auflösungen und extrem schwacher Beleuchtung zu untersuchen. Eine andere Klasse von Verfahren nutzt verschränkte Photonenpaare, wobei jeweils ein Photon zur Beleuchtung eines Objekts abgestrahlt und das andere als Referenz im Apparat vorgehalten wird. Dies wird genutzt, um im Empfänger selektiv nur diejenigen Photonen herauszufiltern, welche tatsächlich vom Objekt zurückgestreut wurden. Objekte können so auch bei extrem geringer Beleuchtungsstärke vor starkem Hintergrundrauschen abgebildet werden. Dieses „Quantenbeleuchtung“ genannte Prinzip ist vor allem im Konzept des mit Mikrowellenphotonen arbeitenden sog. Quantenradars angedacht.

Zurzeit werden verschiedene Verfahren der Quantenbildgebung weiterentwickelt. Gleichzeitig wird intensiv nach praktischen Einsatzmöglichkeiten gesucht. Mit ersten Anwendungen, z. B. in der Medizintechnik, ist kurz- bis mittelfristig zu rechnen.

 

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