Jenseits von Science-Fiction Photonische Quantentechnologien verändern das Leben

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Informationen absolut abhörsicher übertragen, maßgeschneiderte Medikamente kaufen, die optimale Route für Lieferungen planen: Um Zukunftsvisionen wie diese in greifbarer Nähe zu rücken, steckt der Bund derzeit Milliarden in die Forschung zu Quantentechnologien. Benjamin Brecht, Geschäftsführer des Paderborner Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS), erläutert, warum der Einsatz von Lichtteilchen eine Revolution in unterschiedlichsten Branchen verspricht.

Wer den Begriff „photonische Quantencomputer“ hört, denkt vermutlich an Technobabbel aus Science-Fiction-Filmen. Doch der Einsatz von lichtgetriebenen (photonischen) Quantentechnologien eröffnet auch in der Realität völlig neue Möglichkeiten für Berechnungen, Informationstransfer und Simulationen, die unser Leben drastisch verändern werden.

Dazu zählt der Forscher unter anderem die Entwicklung von Individualmedizin, also auf einzelne Patienten spezifizierte Medikamente. Doch hierfür braucht es erst einmal leistungsfähige Quantenrechner. Photonische Quantenrechner können mithilfe von Lichtteilchen Eigenschaften eines nicht zugänglichen Systems untersuchen und nachbauen. Somit könnten sie bei der Simulation von Medikamenten helfen. Die Vision wären zum Beispiel auf uns persönlich zugeschnittene, absolut nebenwirkungsfreie Kopfschmerzmittel entwickeln zu können.

In Deutschland konzentriert sich die Quantenforschung derzeit auf vier Felder: Quantencomputer und -simulation, Quantenkommunikation, quantenbasierte Messtechnik und Basistechnologien für Quantensysteme. Inzwischen sind erste Quantenkommunikationssysteme kommerziell verfügbar. Hier steht die Abhörsicherheit im Vordergrund, was besonders für Banken oder Regierungen relevant ist.

Andere Quantentechnologien, die beispielsweise mit wenig Licht sehr scharfe Bilder erzeugen oder Gravitationsmessungen mit unvorstellbaren Genauigkeiten ermöglichen, sind in den nächsten fünf bis zehn Jahren als marktreif zu erwarten.

Unsere größte Vision ist aber der Einsatz von Quantencomputer. Hier ist der Zeithorizont schwer absehbar. Spezialisierte Quantencomputer, die zugeschnittene Probleme lösen, sind aber durchaus schon in den nächsten zehn Jahren realistisch. Das Institut für Photonische Quantensysteme (PhoQS) in Paderborn gilt als eines der führenden Forschungszentren in Deutschland. Aktuell entsteht ein neues hochspezialisiertes Forschungsgebäude, das die Spitzenforschung auf diesem Gebiet in Deutschland im internationalen Wettbewerb maßgeblich stärkt.

Die neuen Labore ermöglichen modernste Mikro- und Nano-Technologieverfahren, mit denen sich miniaturisierte, integriert-optische Quantenschaltkreise und Quantenbauelemente realisieren lassen. Diese sind entscheidend bei der weiteren Entwicklung von Quantencomputern.

Neben der Quantensimulation gehören die Optimierung von Logistiknetzwerken oder die Übermittlung sensibler Daten zur den Einsatzgebieten. Auf Basis der photonischen Quantentechnologie sollen schon bald riesige Datenmengen schnell und absolut sicher übertragen werden können.

Eine wichtige Aufgabe ist zudem die Vermittlung der neuen Technik: Quantenteilchen besitzen nicht-intuitive Eigenschaften. Sie können unter anderem zwei Zustände gleichzeitig einnehmen. Beispielweise können Sie rot und blau sein. Das nennt sich Superposition. Ein klassisches Teilchen dagegen wäre rot oder blau.

Und übertragen bedeutet das: Photonen sind einzelne Lichtteilchen, die diese Quanteneigenschaften haben. Zusätzlich nehmen sie eine Sonderstellung ein, da sie als einzige Quantenteilchen dafür geeignet sind, Informationen zu übertragen.

Zu den weiteren Eigenschaft gehört zudem die Verschränkung. Demnach verbinden Quantenteilchen sich zu untrennbaren Paaren, was bei anderen Teilchen nicht möglich wäre.

Und der photonische Quantencomputer? ...

Während die gespeicherten Informationen von klassischen Computern aus Bits bestehen, die entweder eine Eins oder eine Null als Zustand besitzen, nutzen photonische Quantencomputer Lichtteilchen. Hierbei handelt es sich um Quantenbits (Quibits), welche sowohl zwei Zustände gleichzeitig annehmen (Superposition) als auch sich miteinander verbinden (Verschränkung) können. Durch die Verschränkung vieler Recheneinheiten (Qubits) in einem System erzielen Quantencomputer eine deutlich höhere Rechengeschwindigkeit als klassische Computer.

Der Vorteil: Quantencomputer sind für ihre Umgebungsanfälligkeit bekannt. Photonen sind jedoch weniger anfällig für äußere Einflüsse. Daher können photonische Quantencomputer auch bei Raumtemperatur arbeiten.

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