Schnellere Computer, abhörsicheres Internet und empfindlichere Sensoren: Die Skurrilitäten der Quantenwelt sind drauf und dran, eine neue technische Revolution auszulösen.

Zu den missglückten Sprachbildern, die sich im Deutschen breitgemacht haben, gehört der „Quantensprung“. Geprägt wurde der Ausdruck in den 1920er Jahren, als Physiker entdeckten, dass die Elektronen in den Hüllen der Atome Energie nur in diskreten Mengen (den Quanten eben) absorbieren oder emittieren. Das Wort „Sprung“ darin sollte ausdrücken, dass ein solcher Vorgang als individuelles Ereignis naturgesetzlich nicht exakt determiniert und in diesem Sinne zufällig ist. Die Gleichungen der Quantenmechanik legen nur das statistische Verhalten fest, das sich im Zuge vieler solcher Prozesse ergibt. Die atomaren Energieportionen selbst sind indes winzig – auch deswegen war die Quantenhaftigkeit der Welt bis ins 20. Jahrhundert hinein verborgen geblieben.

Insofern war es gerade kein Quantensprung, sondern ein revolutionärer Umbruch, den uns die Quanten bescherten. Denn die physikalische Einsicht in ihr Treiben ist die Basis einer zuvor unvorstellbaren Steigerung technischer Möglichkeiten: Atomuhren, ohne die kein GPS funktionieren würde, Laser, wie sie in jedem Bürodrucker stecken, und Transistoren, auf denen alle Computertechnik und damit auch das Internet aufbaut. Ohne Quantenphysik lebten wir in einer Steampunk-Welt: umgeben gerade mal von Verbrennungsmotoren und klappernder Elektromechanik.

Das quantenphysikalische Fundament der modernen Technik ist allerdings selbst Ingenieuren und Informatikern selten bewusst. Warum auch? Die Funktion der entscheidenden Komponenten lässt sich in der Regel noch ganz mit in der Begriffswelt der klassischen Physik und Technik begreifen, ein Transistor etwa als ein kleiner Verstärker. So blieb die Quantenphysik in der öffentlichen Wahrnehmung eine arkane Spielwiese für Theoretiker oder Naturphilosophen.

Jetzt aber steht eine zweite Quantenrevolution bevor, bei der das anders ist. Hier werden neue Technikträume gerade durch genuine, der klassischen physikalischen Intuition unverständliche Quantenphänomene beflügelt. Vokabeln wie „Superposition“ und „Verschränkung“, die schon manchem Physiker den Angstschweiß auf die Stirn trieben, sollen nun auch Ingenieuren geläufig werden.

Äußere Zeichen für das Heraufdämmern einer genuinen Quantentechnologie sind vor allem die Investitionen, zu denen sich öffentliche wie private Stakeholder heute bereitfinden. So gab die Europäische Kommission vor zwei Jahren bekannt, in den nächsten zehn Jahren würden eine Milliarde Euro lockergemacht, um anwendungsorientierte Quantenforschung zu fördern. Das Geld wird vom kommenden Herbst an fließen und zu gleichen Teilen aus Brüssel und aus den EU-Mitgliedstaaten kommen. Schon 2013 startete Großbritannien eine 385 Millionen Pfund schwere Quantentechnologie-Initiative, und im neuen Haushaltsentwurf des Weißen Hauses für 2019 hat die sonst nicht eben rundum forscherfreundliche Trump-Administration die beantragten Mittel für die Entwicklung von Quantencomputern fast verdoppelt. Zugleich investieren Konzerne von IBM über Bosch bis Google in einschlägige Entwicklungen, und kürzlich organisierte der Hightech-Optik-Hersteller Zeiss im schwäbischen Oberkochen ein großes Symposion mit dem Titel „Optics in the Quantum World“. Dort wurde die ganze Bandbreite der in Aussicht stehenden Anwendungsfelder für Quantenphänomene ausgebreitet, aber auch kritisch gefragt, in welchen davon man gegenwärtig eher einen Hype beobachte statt den tatsächlichen Beginn einer neuen technischen Revolution.

Insgesamt lassen sich drei quantentechnologische Großbereiche mit revolutionärem Potential ausmachen. Da wäre einmal der Quantencomputer, der gegenwärtig die größten Schlagzeilen macht. Statt mit Bits, die jeweils einen von zwei Zuständen wie „Strom an“ und „Strom aus“ (meist mit 0 und 1 bezeichnet) annehmen, arbeiten sie mit „Qbits“. Diese werden durch Quantensysteme realisiert, die sich verhalten, als existierten sie in allen ihnen physikalisch möglichen Zuständen gleichzeitig. Eine geschickte Ausnutzung dieses „Superposition“ genannten Effektes ermöglicht es, mit Qbits Rechenschritte parallel auszuführen, die Bit-Rechenwerke nur hintereinander abarbeiten können. Bestimmte Probleme lassen sich so um Größenordnungen effizienter lösen als auf klassischen Computern, etwa solche zur Zerlegung von Zahlen in ihre Primfaktoren. Der Rechenaufwand dafür steigt auf klassischen Computern sehr stark mit der Größe der Zahl. Diese Tatsache liegt vielen heute gebräuchlichen Verschlüsselungsverfahren zugrunde. Mit der Markteinführung vollwertiger, praktikabler Quantencomputer würden die zur Makulatur. Andererseits eröffneten sich dann auch auf anderen Feldern, beispielsweise dem der Künstlichen Intelligenz, Möglichkeiten, die heute im Einzelnen gar nicht absehbar sind. Dazu steckt die Entwicklung von Quanten-Software noch zu sehr in den Kinderschuhen.

Dabei ist das eigentliche Problem die Quanten-Hardware. Qbits lassen sich mit verschiedenen physikalischen Systemen realisieren, beispielsweise mit Atomen, die in Gittern aus Laserlicht gehalten werden, oder spezielle Supra- oder Halbleiterstukturen. Diese müssen sich, um in Superposition zu bleiben, gut von der Umgebung isolieren lassen, und je schlechter das gelingt, desto mehr zusätzliche Qbits braucht der Quantencomputer, um auftretende Fehler zu korrigieren. Insofern ist es zwar beeindruckend, wenn etwa die Firma IBM jetzt an einem Prototypen mit 50 Qbits arbeitet – und Quantencomputer ab dieser Größe theoretisch die Leistungsfähigkeit der größten gegenwärtig verfügbaren klassischen Supercomputer erreichen. Doch Qbit-Rekorde sind nicht alles. Neben der Fehlerkorrektur spielt beispielsweise auch die Auslesetechnik eine Rolle und wie skalierbar ein System ist, also wie gut in seinem Umfang erweiterbar. Noch ist daher nicht abzusehen, mit welchem physikalischen System der erste frei programmierbare Quantencomputer realisiert werden wird und wann, wenn überhaupt, es dazu kommt.

Näher am Ziel ist man mit Quantencomputern, die nur bestimmte Berechnungen ausführen können. Diese aber können – wie zum Beispiel Optimierungsprobleme – von großer praktischer Relevanz sein. Insbesondere reizt die Idee, mit rundum kontrollierten Quantensystemen andere, weit weniger gut zu kontrollierendes, aber praktisch interessante Systeme zu simulieren. Ein Beispiel wären chemische Reaktionen komplexer Moleküle zur Entwicklung neuer Medikamente. Solche „Quantensimulatoren“ sind weniger anspruchsvoll als universale Quantencomputer und dürften daher lange vor diesen ihre Arbeit aufnehmen. Noch gibt es allerdings keine Quantenmaschine, von der unstrittig wäre, dass sie etwas kann, was Rechner aus Leiterbahnen und Transistoren nicht können. Trotz unleugbaren Potentials insbesondere der Quantensimulatoren stand das Thema auch bei vielen Tagungsteilnehmern in Oberkochen unter akutem Hypeverdacht.

Etwas anders ist das bei der Quantenkryptographie. Hier wird die Möglichkeit ausgenutzt, Quantenobjekte zu verschränken, zum Beispiel Lichtteilchen, sogenannte Photonen. Verschränkung ist im Rahmen der klassischen Physik genauso unverständlich wie die Superposition – tatsächlich wurzeln beide Phänomene in derselben mathematischen Struktur der Quantentheorie. Zwei verschränkte Photonen bilden eine Einheit. Misst man bei dem einem eine gewisse Eigenschaft, so legt das augenblicklich fest, was am anderen gemessen wird, auch wenn beide Photonen beliebig weit voneinander entfernt sind. Die einzelnen Messwerte an beiden Enden sind zwar quantentypisch zufällig, doch sie sind korreliert – allerdings nur dann, wenn niemand eine Messung durchgeführt hat, solange die Photonen noch unterwegs waren. Daher können auf diese Weise Geheimschlüssel übertragen werden, ohne das Unbefugte sie unbemerkt kopieren können.

In einer Basisversion gibt es diese Technik bereits heute. Spezialfirmen verkaufen gegenwärtig pro Jahr zwischen zehn und zwanzig kommerzielle Quantenkryptographiesysteme, die Glasfaserverbindungen über bis zu 100 Kilometern abhörsicher machen können. Ihre Kunden sind Banken, die damit unter anderem ihre Backup-Serverfarmen absichern, Regierungen und wahrscheinlich auch das Militär. Für ein weltweites Quanten-Internet ist allerdings noch erhebliche Entwicklungsarbeit zu leisten, zum Beispiel weil die quantengesicherten Signale nicht mit klassischer Verstärkertechnik aufgefrischt werden können, ohne ihre Abhörsicherheit einzubüßen. Immerhin ist im vergangenen September österreichischen Wissenschaftlern in Zusammenarbeit mit chinesischen Kollegen gelungen, ein quantenverschlüsseltes Ferngespräch über einen chinesischen Satelliten abzuwickeln.

Solcher medial besonders sichtbaren Erfolge zum Trotz werden aber auch Verschlüsselungen mit verschränkten Photonen nicht das sein, was die zweite Quantenrevolution anführen wird. Diese Rolle, auch das wurde in Oberkochen deutlich, dürfte vielmehr einem Gebiet zufallen, das auch aufgrund seiner Heterogenität unauffälliger und alltagsferner zu sein scheint: der Einsatz von Quanteneffekten in Sensoren und bildgebenden Verfahren. Denn die extreme Empfindlichkeit genuiner Quantenzustände gegenüber ihrer Umwelt, die den Quantentechnikern sonst das Leben oft so schwermacht, lässt sich auch ausnutzen, um diese Umwelt mit bislang völlig utopischer Genauigkeit zu vermessen, etwa Magnetfelder, die von Hirnströmen erzeugt werden, oder Gravitationsschwankungen infolge von Magmabewegungen unter Vulkanen. Auch könnten Quanteneffekte Dinge sichtbar machen, die bisher unbeobachtet bleiben mussten. So kann man mittels „Ghost Imaging“ empfindliche Objekte, lebende Zellen etwa, mit schwacher infraroten Photonen bestrahlen, die Bildinformation aber den mit ihnen verschränkten sichtbaren Photonen entnehmen.

Die absehbaren Anwendungen der Quantensensorik reichen von der Medizin bis zur Geophysik und weiteren Präzisionssteigerungen bei der Satellitennavigation. Gut möglich, vielleicht sogar wahrscheinlich, dass all dies im Alltag der meisten Menschen lange nicht als Revolution wahrgenommen wird, sondern als das Weiterlaufen eines technischen Fortschrittes, an den man sich nun schon so gewöhnt hat. Möglich aber auch, dass irgendeine Quanten-Innovation einmal eine so umwälzende Entwicklung verursacht wie seinerzeit der Transistor, der zum Internet geführt hat. Die Quantenphysiker, zu denen sich in wenigen Jahren die heute noch unbekannte Berufsgruppe der Quanteningenieure gesellen dürfte, werden sich dann aber auch mit den Ängsten und den überzogenen, sich bis ins Weltanschauliche hineinsteigernden Hoffnungen auseinandersetzen müssen, die neue Entwicklungen auch früher schon begleiteten. Ratgeber fürs „Quanten-Heilen“ und ein Geschirrspülmittel namens „Quantum“ gibt es heute schon.