Eine technologische Revolution auf der Basis einer 100 Jahre alten, aber immer noch nicht breit verstandenen Physik – Die zweite Generation von Quantentechnologien

Vor 100 Jahren waren die Physiker endlich so weit, einer Frage auf die Spur zu gehen, welche bereits damals eine mehrere Jahrtausende alte Geschichte hinter sich hatte: „Zu erkennen, was die Welt im Innersten zusammenhält“. Es handelte sich um die Frage nach den ursprünglichen kleinsten Teilchen, aus denen alles besteht. Am Ende dieser Phase, um das Jahr 1925, standen gleich zwei revolutionäre Theorien, eine bizarrer als die andere, welche den meisten Nicht-Physikern noch heute als Inbegriff des Unbegreiflichen erscheinen: die ‚ Relativitätstheorie‘ und die ‚Quantenmechanik‘. Sie bildeten von nun an das neue, bis heute bestehende Fundament der modernen Physik.

War die klassische Physik auch für Nicht-Physiker noch gut verständlich gewesen, so zog insbesondere die Quantentheorie beiden, Physikern und Nicht-Physikern, schier den metaphysischen Boden unter den Füssen weg. Das Wesen der Quantenobjekte mit ihren beobachtungsabhängigen Eigenschaften wie Welle-Teilchen-Dualismus, Superpositionen, zeitlosem Zerfall der Wellenfunktionen, und Verschränkung liessen sich nur schwer in bestehende philosophische Begriffe und metaphysische Vorstellungen des platonisch-aristotelisch geprägten abendländischen Denkens einordnen. Und noch immer, 100 Jahre nach ihrer Entstehung, birgt die Quantenphysik reichlich Verwirrung, Unverständnis und Diskussionsstoff unter Nichtphysikern, denen es bis heute schwer fällt, diese Grundtheorie der modernen Physik begrifflich und anschaulichen nachzuvollziehen.

Zugleich lässt sich ohne weiteres behaupten, dass die Quantentheorie die einflussreichste Theorie des 20. Jahrhunderts darstellt. Hatten die Mechanik Newtons und die Gastheorie des frühen 18. Jahrhunderts das Zeitalter der Aufklärung geprägt und die Grundlagen der ersten industriellen Revolution gebildet, hatte die elektromagnetische Theorie im späten 19. Jahrhundert das Elektrozeitalter und damit die zweite industrielle Revolution hervorgebracht, so wurde die Quantentheorie im 20. Jahrhunderts Ausgangspunkt der bis heute andauernden dritten technologisch-industriellen Revolution. Auf ihr basiert unsere gesamte Digitaltechnologien mit Dingen wie Computer, Laser, Mobiltelefon, Satelliten, Fernseher, Radio, aber auch die moderne Chemie und viele andere gängigen Technologien, die unser modernes Leben massgeblich geprägt haben. Und nicht zuletzt die Nukleartechnologie: die allererste technische Anwendung der neuen Quantentheorie war zugleich die furchtbarste Waffe, die jemals militärisch eingesetzt wurde: die Atombombe.

So sind wir heute Zeuge einer merkwürdige Dichotomie: Breite Teile der Gesellschaft inklusive der grösste Teil ihrer sozialen, wirtschaftlichen und politischen Entscheidungs- und Machtträger verfügen über wenig bis gar keine Kenntnisse der Grundlagen der Quantenphysik. Aufgrund ihrer mathematischen Komplexität vermag der Physik-Schulunterricht sie nur in oberflächlichen Grundzügen zu behandeln. Teils reagieren die Menschen auf ihre bizarr erscheinenden Aussagen (sowie ihr teils unheimliches technologisches Potential, welches seinen ersten Ausdruck so unglücklicherweise in Nuklearwaffen fand) gar mit Unbehagen bis hin zu Ablehnung, und nicht selten sieht sie sich dem Missbrauch durch esoterische Quacksalberei ausgesetzt. Und dennoch vertrauen wir tagtäglich den Gesetzen der Quantenphysik, wenn wir in ein Auto steigen, den Computer verwenden oder mittels unseres Telefons kommunizieren.

Dabei müssen wir erkennen: die Quantenphysik hat ihr technologisches Potential noch keineswegs ausgereizt. Im Gegenteil, bis heute werden wir regelmässig Zeugen von Überraschungen und Neuigkeiten auf ihrem Gebiet und erfahren in ebenso regelmässigen Abständen von neuen technologischen Neuerungen, die auf Quanteneffekten beruhen. Beispiele sind die 1986 entdeckte Hochtemperatursupraleiter (Nobelpreis 1987), der ebenfalls in den 1980ern bzw. 1990ern entdeckte Quanten-Hall-Effekt (Nobelpreis 1987 und 1998), LED Licht (Nobelpreis 2014), die erst in den letzten Jahren entwickelten Technologien der Quanten-Kryptologie, welche auf dem spezifisch quantenphysikalischen Phänomen der Teilchenverschränkung beruht (Nobelpreis 2012), oder auch neue „Wunderstoffe“ wie „Graphen“ (Nobelpreis 2010), auf denen zukünftig eine noch viel leistungsfähigere Elektronik aufbauen könnte.

So ist den Physikern gerade erst in diesen Tagen ein neuer Rekord in der ‚Quanten-Teleportation‘ gelungen: Ein Team des ‚National Institutes of Standards and Technology (NIST)‘ hat mittels Glasfaser Quanteninformationen 100 Kilometer weit teleportiert, was die zunehmende Praxistauglichkeit der Netzwerkgestaltung abhörsicherer und ultraschneller Computernetzwerke mittels Quantentransport aufzeigt und uns vielleicht schon bald so etwas wie ein Quanteninternet bescheren könnte. Grundlage dieser Technologie ist, dass zwei Quantenteilchen (z.B. Lichtteilchen) zu einem gemeinsamen quantenphysikalischen Zustand verschränkt werden, sich aber anschliessend trennen lassen, ohne den gemeinsamen Zustand zu zerstören. Eines der Photonen wird dann zum Empfänger gesendet, das andere wird im Sender mit der zu teleportierenden Information überlagert. Dadurch ändert sich nach den Gesetzen der Quantenphysik automatisch auch der Zustand des entfernten Photons. Auf diese Weise wird die gewünschte Information übertragen.

So zeichnet sich nach Halbleitertechnik, Laser, Satellitennavigation und Nukleartechnologie in den Jahren 1940-1980 seit den 1980er Jahren eine zweite Generation von Quantentechnologien ab, welche zu allermeist auf der Handhabung von Vielteilchenquanteneffekte und der Kontrolle ganzer Quantensysteme beruht, und dabei auch das Phänomen der Verschränkung von Quantenteilchen ausnutzt. Zudem eröffnet sich uns eine bereits im Jahr 1959 von Richard Feynman ausgesprochene Vision, dass es technisch möglich sein sollte, individuelle Atome zu manipulieren. Wir bezeichnen dieser Entwicklung heute als ‚Nano-Technologie‘, und viele Techno-Advokaten deklarieren sie bereits als eine der aufregendsten ‚Zukunftstechnologien‘. Und dann ist da zuletzt noch die packende Vision eines sogenannten ‚Quantencomputers‘, der anstatt wie klassische Computer Bit für Bit zu verarbeiten auf zahlreichen Quantenzuständen, so genannten ‚Quantenbits‘, parallel zu rechnen vermag. Mit seiner Hilfe liessen sich Probleme lösen, die für die heute in Physik, Biologie, Wetterforschung und anderswo eingesetzten ‚Supercomputer‘ noch bei weitem zu komplex sind.

Hadern die meisten Menschen noch mit dem erkenntnistheoretischen und philosophischen Aussagen der Quantenphysik, so sollten wir zugleich gut auf ihr nach wie vor beispielloses revolutionäres technologisches Zukunftspotenzial achten. Und dabei erkennen: Das Verständnis der neuen Quantentechnologien eröffnet uns einen Blick in die Ferne. In eine Zukunft, die uns vielleicht schon bald beschert ist.

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