Es riecht nach Revolution

Dabei ist der Einsatz von Techniken, die auf Quanteneffekten beruhen, keineswegs neu, sondern seit etlichen Jahrzehnten weit verbreitet. Ob im Laser an der Supermarktkasse, in den Mikrochips von Computern und Smartphones oder im Herzen von modernen medizintechnischen Geräte wie den „Röhren“ für die Magnetresonanztomografie (MRT): All diese Apparaturen würden ohne die Besonderheiten des Quantenkosmos nicht funktionieren. Allerdings: Laser, Computerchips und MRT gelten nicht als Quantentechnologien oder nur als solche der ersten Generation. Denn sie erfordern keine Kontrolle über einzelne Quantenpartikel wie Elektronen oder Photonen, die Teilchen des Lichts.

Stattdessen basiert ihre Wirkung auf dem Zusammenspiel sehr vieler solcher Partikel. Bei einem Laser beispielsweise sind das unzählige Photonen, die so präpariert sind, dass sich alle gleichartig verhalten – und aus denen sich so ein scharfer Lichtstrahl mit fester Wellenlänge formen lässt. In einem MRT-Scanner dagegen sind es Elektronen in den Atomen und Molekülen des Körpergewebes, die auf identische Weise auf eine Anregung durch äußere Magnetfelder reagieren.

Verschränkung und Superposition

Anders ist die Situation bei den Quantentechnologien der zweiten Generation, auf denen die Hoffnungen von Forschern und Ingenieuren für die nächsten Jahre und Jahrzehnte ruhen: Bei diesen Technologien kommt es auf eine Analyse und gezielte Manipulation einzelner Teilchen an. Und das erfolgt vor allem auf der Basis zweier grundlegender quantenphysikalischer Prinzipien: der Verschränkung und der Überlagerung von Zuständen – im Fachjargon häufig auch als Superposition bezeichnet. Diese beiden Phänomene, die sich ausschließlich im Mikrokosmos antreffen lassen, sind die Treiber der besonderen Möglichkeiten, die etwa Quantencomputer, quantenkryptografische Kommunikationssysteme oder auf Quanteneffekten basierende Messmethoden bieten.

Die Verschränkung ist eine Eigenschaft von Atomen, Elektronen oder Photonen, die Quantenphysiker als eine Art unsichtbares Band zwischen zwei solchen Teilchen beschreiben. Sie verleiht den beiden so verbundenen Partnern fest miteinander in Beziehung stehende Merkmale, die selbst über beliebig weite Distanzen hinweg erhalten bleiben. Albert Einstein nannte dieses in der klassischen Physik undenkbare Phänomen deshalb einst „spukhafte Fernwirkung“. Er hielt die Verschränkung für eine Täuschung, die einem unvollständigen Bild der Quantenmechanik entspringt, und war überzeugt, dass eine verbesserte Theorie der Quantenwelt dem für ihn offenkundigen Spuk ein Ende bereiten würde. Doch Einstein irrte sich mit dieser Einschätzung. Inzwischen sind die Existenz und die Folgen der quantenmechanischen Verschränkung durch Experimente klar bestätigt.

Die Doppelnatur von Quantenpartikeln

Dasselbe gilt für die Superposition. Sie entspringt der Erkenntnis, dass Quantenpartikel wie Elektronen oder Photonen in ihrem Wesen eine Doppelnatur besitzen: Je nachdem, welchem Experiment man sie unterzieht und auf welche Weise man versucht, ihre Eigenschaften zu messen, verhalten sie sich entweder wie feste Teilchen oder wie gestaltlose Wellen. Und da Wellen keine feste Größe haben, sondern über einen mehr oder weniger weiten Bereich hinweg verschmiert sind, können mehrere Wellen im selben Raum existieren und sich dort durchdringen – oder: überlagern. Das gilt auch für bestimmte Zustände eines Quantenteilchens – beispielsweise eines Elektrons, das sich in einem anschaulich vereinfachten Bild gleichzeitig links- und rechtsherum um seine eigene Achse drehen kann. In der Quantenmechanik wird das als Spin bezeichnet.

Diese Merkmale lassen sich nutzen, um physikalische Größen wie elektrische oder magnetische Felder äußerst präzise zu bestimmen – mithilfe sogenannter Quantensensoren. Deren Anwendung ermöglicht es unter anderem, die Zeit mit neuen Atomuhren noch viel genauer als bislang möglich zu messen, winzige Veränderungen im Gravitationsfeld der Erde aufzuspüren oder Bilder von technischen Strukturen ebenso wie von biologischem Gewebe mit einer bislang unerreichbaren Detailschärfe zu gewinnen. Das könnte etwa für die Krebsforschung enorme Fortschritte bringen. Andererseits kann die gezielte Nutzung von Quanteneffekten an einzelnen Teilchen helfen, vertrauliche Nachrichten auf ihrem Weg zwischen Absender und Empfänger durch eine neue Form der Verschlüsselung so zu sichern, dass jeder Versuch, sie unerlaubt mitzulesen oder zu belauschen, sofort erkennbar wäre – und den Hackerangriff verraten würde.

Rechnen mit Quantenbits

Besonders im Fokus vieler Forschungsteams weltweit – an Universitäten, anderen öffentlichen Instituten und bei Hunderten Unternehmen – steht die Entwicklung von Quantencomputern: Rechenmaschinen, die sich bei der Lösung komplexer mathematischer Probleme die quantenphysikalischen Phänomene von Verschränkung und Überlagerung zu eigen machen. Wie ein klassischer Computer basiert auch ein Quantenrechner auf einem Mikrochip. Allerdings: Dessen elementare Einheiten sind nicht Bits – Elemente, die stets nur einen von zwei möglichen Werten (Eins oder Null) annehmen können. Stattdessen verwendet ein Quantencomputer Quantenbits, kurz auch Qubits genannt, die dank des Phänomens der Überlagerung gleichzeitig sowohl eine Eins als auch eine Null einnehmen können – und jeden beliebigen Wert dazwischen. Die Folge davon ist, dass eine solche Maschine nicht darauf angewiesen ist, einzelne Rechenschritte nacheinander abzuarbeiten, sondern sämtliche Schritte einer Kalkulation auf einmal erledigen kann.

Dadurch wird die Lösung von Aufgaben, die sich auf eine bestimmte Art mathematisch formulieren lassen, immens beschleunigt. Wofür selbst der leistungsfähigste konventionelle Computer viele Jahre oder länger benötigen würde, ließe sich mit einem geeigneten Quantencomputer in kürzester Zeit bewältigen. Beispiele für Probleme, auf deren Lösung mithilfe der Quantencomputer-Technologie die Forscher hoffen, sind die Suche nach Wirkstoffen für neue Medikamente, die Entwicklung synthetischer Werkstoffe mit bestimmten Eigenschaften sowie die Optimierung von großen Verkehrsnetzen oder komplizierten logistischen Abläufen in Fabrikanlagen.

Zudem könnte der Einsatz von Quantencomputern die Fähigkeiten von Systemen mit künstlicher Intelligenz (KI) weiter voranbringen. Die Forschung auf dem Gebiet der sogenannten Quanten-KI erfährt momentan einen kräftigen Aufschwung. Das belegt unter anderem eine Studie zu „Quantentechnologien und Quanten-Ökosystemen“, die Forscher am Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe erstellt und Anfang 2025 veröffentlicht haben. Die ISI-Forscher zeigen auch auf, welche großen Herausforderungen auf dem Weg zu Quantencomputern, die echte technische Durchbrüche ermöglichen, noch zu bewältigen sind.

Ein Bündel von Herausforderungen

Denn die Realisierung von Quantenrechnern ist in mehrfacher Hinsicht eine enorme Aufgabe. Zum einen ist es schwierig, Quantenobjekte, die als Qubits dienen sollen, so zu präparieren, dass sie sich präzise einstellen und beeinflussen lassen. Dafür nutzen die Quanteningenieure entweder kleine supraleitende Bauteile, in „Fallen“ aus Licht eingeschlossene Atome oder sogenannte Quantenpunkte – Halbleiterstrukturen, die ähnliche Eigenschaften haben wie einzelne Atome. Die meisten Systeme müssen außerdem auf extrem tiefe Temperaturen abgekühlt und zudem unter Hochvakuum aufbewahrt werden. Überdies führt die Anfälligkeit so präparierter Quantenbits gegenüber störenden äußeren Einflüssen dazu, dass beim Quantenrechnen oft Fehler auftreten. Die müssen durch zusätzliche „Korrektur-Bits“ ausgeglichen werden – was die Komplexität der Technik zusätzlich erhöht.

Das alles führt dazu, dass die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer bislang keinen Stand erreicht hat, bei dem sich beliebige komplexe Berechnungen ausführen ließen. Ein Maß für die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers ist seine Zahl an Qubits. Derzeitige Geräte verfügen über bis zu 1121 solcher Einheiten – wie beim aktuellen Rekordhalter: dem „Condor“ von IBM. Am Forschungszentrum Jülich ist zudem seit 2022 ein sogenannter Quantenannealer – eine Vorstufe eines Quantencomputers, die keinen Prozessor besitzt – mit über 5000 Quantenbits im Einsatz. Und in den Laboren ist man noch weiter: So bringt es ein Quantenrechner-Array, das ein Team um den Physiker Manuel Endres am California Institut of Technology (Caltech) in Pasadena geschaffen hat, auf 6.100 Qubits – realisiert durch Cäsium-Atome, die von Laserstrahlen in einem Gitter aus Licht festgehalten werden und sich für einige Sekunden in eine stabile Überlagerung bringen lassen. Zwar ist das noch kein funktionsfähiger Computer, aber doch ein Entwicklungsschritt, der deutlich macht: Bei den Quantentechnologien geht es stetig weiter voran. ■

RALF BUTSCHER hält es für eine immens hohe Kunst, einzelne Quantenteilchen mit höchster Präzision und in ganz gezielter Weise zu manipulieren.