Quantentechnologien – ein Blick in die Zukunft

München, 22. April 2021

Wir leben in einer Informationsgesellschaft, die alles möglich zu machen scheint: schnelles Internet, Bild und Ton in höchster Qualität, virtuelle Realitäten, soziale Vernetzung. Nun machen sich die Quantentechnologien auf, die Grenze des Möglichen nochmal zu verschieben. Über die genauen Potenziale der Technologien sprach acatech Mitglied Artur Zrenner (Universität Paderborn) bei acatech am Dienstag am 13. April. Die Begrüßung übernahm Jan Wörner, der neue Präsident der Akademie. Die Veranstaltung fand in Kooperation mit vhs-wissen.live statt und zog erstmals über 1200 Interessierte an.

Über Quantentechnologien wird derzeit viel berichtet. Vor allem die Schlagzeilen über einen Durchbruch bei Quantencomputern haben für Aufsehen gesorgt. Dabei erleichtern uns Quanten und ihre Eigenschaften schon lange das Leben: Ohne sie gäbe es heute beispielsweise kein schnelles Internet und keinen Laser. Einzelne Quanten lassen sich mit bloßen Sinnen nicht wahrnehmen. Was sind sie also überhaupt? acatech Mitglied Artur Zrenner (Universität Paderborn) begann seinen Vortrag bei acatech am Dienstag am 13. April mit einem geschichtlichen Abriss: Europäische Physiker spielten bei der Entdeckung der Quanten und ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften eine maßgebliche Rolle. Anhand ihrer nobelpreiswürdigen Experimente und Entdeckungen lässt sich die Entwicklung der Quantenphysik nachvollziehen.

Den Grundstein für diese Technologien legten vor über hundert Jahren Theoretiker wie Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger sowie eine Reihe von Experimentalphysikern wie Ernest Rutherford, Otto Lummer, Ernst Pringsheim und Wilhelm Wien. Sie stellten mit ihrer Forschung ihr eigenes Weltbild auf den Kopf: Bis dahin war die Forschungsgemeinschaft der Physikerinnen und Physiker davon ausgegangen, dass sie mit den bisherigen physikalischen Erkenntnissen das Universum verstehen und die Welt um uns herum in Gänze beschreiben könne. Im mikroskopischen Bereich beobachtete man jedoch Anfang des 20. Jahrhunderts einige Phänomene, die sich nicht allein durch klassische Physik erklären ließen. Hier setzt die Quantenphysik an.

Quantentechnologien der ersten und der zweiten Generation

Es ist sehr schwierig oder sogar unmöglich, Quantentechnologien der sogenannten ersten und zweiten Revolution ganz trennscharf voneinander abzugrenzen. Fachleute bevorzugen für die verschiedenen Fortschrittslevel von Quantentechnologien deshalb den Begriff „Generation“. Um die Quantentechnologien in Generationen einteilen zu können, bietet sich folgende gedankliche Unterscheidung an: Für die Erfindungen der ersten Generation – wie Laser oder Atomuhr – wurden die Quanteneigenschaften eher „einfach nur“ kollektiv genutzt. In der zweiten Generation versuchen Physikerinnen und Physiker nun, diese Eigenschaften beziehungsweise den Zustand von individuellen Quantensystemen gezielt zu manipulieren, um neue Funktionalitäten zu schaffen. Insbesondere die systematische Nutzung der Verschränkung ist ein Merkmal der zweiten Generation. Letzten Endes ist die genaue Abgrenzung beider Generationen nebensächlich. Wichtig ist nur, zu verstehen, dass man mit Quantentechnologien enorm leistungsfähige Computer, bessere Sensoren, Komponenten und Anwendungen entwickeln und bereitstellen kann, beziehungsweise können wird.

Potenziale für Wirtschaft und Gesellschaft

Vor allem in der Magnetfeld- und der Schwerefeldmessung hat die neue Generation der Quantensensoren das Potenzial, aktuelle Sensorkonzepte um ein Vielfaches zu übertreffen. Fortschritte in der Magnetfeldmessung könnten vor allem in der medizinischen Diagnostik zur Messung von Magnetfeldern des Gehirns und von Gehirnströmen von Nutzen sein. Eine verbesserte Schwerefeldmessung der Erde kann hingegen helfen, ein besseres Bild des Erdinneren zu liefern. Dies könnte vor allem als Frühwarnsystem bei Erdbeben und Vulkanausbrüchen, beim Aufspüren von Bodenschätzen helfen. Die Effekte auf die Gesellschaft könnten enorm sein. Sollte man durch Quantensensorik riesige Vorkommen an neuen Ressourcen entdecken oder Krankheiten frühzeitig besser erkennen können, würde die Gesellschaft sehr davon profitieren. Mit Quantencomputern wird man in der Lage sein, schwierige oder bisher als unlösbar eingestufte Probleme zum Beispiel in der Material- und Molekülforschung zu lösen. Die Arbeiten dazu werden im wissenschaftlichen Umfeld und in den Forschungsabteilungen von Konzernen erfolgen, die erzielten Fortschritte werden aber uns allen zugutekommen.

Im Anschluss an den Vortrag von Artur Zrenner schloss sich eine Fragerunde an. Eine Auswahl der Fragen, die vom Publikum gestellt wurden, sowie die dazugehörigen Antworten von Artur Zrenner finden Sie hier im Anschluß: