FAQs über Quanten

Wie der Name suggeriert, bilden „Quanten“ das Herzstück der Quantenmechanik und sind ein fundamentales Konzept, um das Verhalten von Materie in der Größenordnung von Atomen zu beschreiben. Ein Quant beschreibt eine winzige Menge Energie, die aufgrund der physikalischen Gesetze der Quantenmechanik nur diskretisierte, d.h. quantisierte, Werte annehmen kann. Das Konzept, dass Energie nur in gequantelten Portionen verfügbar ist, steht im klaren Gegensatz zur klassischen Physik, in der es keine „verbotenen“ Werte für Größen wie die Masse oder den Impuls eines Teilchens gibt. Aus dem Konzept der Quantisierung folgen weitere Phänomene, wie Unschärfe, Superposition und Verschränkung (siehe nächste zwei FAQs).

Ein Grund, warum uns Quantenphysik unintuitiv erscheint, ist, dass die Messung eines Quantenobjekts seinen Zustand beeinflusst. In der Welt, die wir täglich erleben ist das nicht so: Ein klassisches Teilchen „besitzt“ Eigenschaften wie eine Position, oder eine Geschwindigkeit, die zu jedem Zeitpunkt eindeutig sind –  auch ohne dass man sie misst. Zu Beispiel kann man die räumliche Position eines Autos messen, indem eine außenstehende Beobachterin zu verschiedenen Zeitpunkten ein Foto macht. Doch auch wenn die Beobachterin einmal wegsieht, befindet sich das Auto in diesem Moment an einem bestimmten Ort. Die Bewegung des Autos ist durch die Physik (in diesem Fall die Newtonsche Mechanik) eindeutig festgelegt und damit deterministisch.

Die Quantenwelt ist nicht-deterministisch. Zum einen kann sich ein Quantenobjekt in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden (siehe FAQ zu Superposition), zum anderen ist es möglich, dass zwei Quantenobjekte eine „Fernbeziehung“ eingehen, sodass eine Messung an einem Teilchen auch etwas über den Zustand des Partnerteilchens verrät – egal wo und wie weit entfernt sich dieses Teilchen aufhält (siehe FAQ zu Verschränkung).

Ein weiteres Phänomen ist die Unschärferelation, die besagt, dass man verschiedene Eigenschaften eines Quantenobjekts nicht gleichzeitig beliebig genau messen kann. Um beim Beispiel des Autos zu bleiben: Stattet die Beobachterin das Auto mit einem präzisen GPS-Gerät und einem Tacho aus, so ist es möglich, seine Position und Geschwindigkeit jederzeit beliebig genau zu bestimmen. Ein Quantenobjekt ist aber kein Auto. Ein Quantenobjekt lässt sich ebenfalls durch eine Position und einen Impuls charakterisieren, jedoch lassen sich diese beiden Größen nicht gleichzeitig exakt bestimmen.

Im Gegensatz zu einem klassischen Teilchen, kann sich ein Quantenobjekt in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden. Zum Beispiel kann ein Teilchen, das ein magnetisches Moment besitzt, eine Superposition aus zwei Zuständen einnehmen: Im ersten Zustand zeigt das magnetische Moment nach oben, in zweiten Zustand nach unten. Die Orientierung des Teilchens ist a-priori nicht festgelegt. Erst, wenn man die Magnetisierung des Teilchens misst, „entscheidet“ sich, in welchem der beiden Zustände sich das Teilchen befindet.

Verschränkung kann man sich wie eine Fernbeziehung vorstellen, die zwei Quanten-Teilchen eingehen. Stellen wir uns vor, dass ein verschränktes Photonenpaar erzeugt, dann jedoch getrennt wird: Ein Photon verbleibt im Labor des Fraunhofer-Instituts in Jena, das andere wird in die Partnerstadt Jenas, San Marcos, geschickt. Misst man dann die Polarisation des Photons in San Marcos, ist der Zustand des Photons in Jena eindeutig festgelegt. Auf den ersten Blick verletzt diese instantane „Kommunikation“ die klassische Annahme, dass Information nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit kommuniziert werden kann. Tatsächlich braucht es aber eine klassische Kommunikation, etwa eine WhatsApp-Nachricht, von dem Physiker in San Marcos (nennen wir ihn Bob) an die Physikerin in Jena (nennen wir sie Alice). Erst, wenn Bob Alice mitteilt, was er gemessen hat, weiß sie, in welchem Zustand sich ihr Photon befindet. Information kann durch Quantenkommunikation also nicht schneller transferiert werden, dafür aber sicherer. Denn mithilfe von Quantenverschränkung als Ressource ist es möglich, abhörsichere Kommunikationsprotokolle durchzuführen.

Schrödingers Gedankenexperiment betrachtet eine Katze, die sich in einer geschlossenen Box befindet, zusammen mit einer Zufall-gesteuerten Tötungsmaschine. Solange die Box verschlossen bleibt, ist unklar, ob die Katze lebt oder nicht mehr. Die Katze befindet sich in einer Superposition aus den beiden Zuständen tot und lebendig. Sie ist quasi gleichzeitig tot und lebendig. Erst, wenn man ihren Zustand „misst“, indem man die Box öffnet, kollabiert ihr Zustand auf eines der beiden möglichen Messergebnisse: tot oder lebendig.

Dieses makabre Gedankenexperiment demonstriert, dass ein Quantenobjekt gleichzeitig in zwei Zuständen existieren kann, die sich aus klassischer Sicht ausschließen.

In der Quantenmechanik gibt es viele fundamentale Fragen, die bis heute ungeklärt sind und weiterhin intensiv erforscht werden. Hier sind einige der Hauptfragen:

Messproblem: Was passiert während einer Quantenmessung, bei der der Zustand eines Systems von einer Superposition in einen definitiven Zustand kollabiert?

Interpretationen der Quantenmechanik: Welche Interpretation der Quantenmechanik ist die richtige? Es gibt verschiedene Ansätze wie die Kopenhagener Deutung, die Viele-Welten-Interpretation, die de Broglie-Bohm-Theorie und viele andere.

Quantengravitation: Wie lässt sich die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinen? Es fehlt eine umfassende Theorie, die sowohl die Quantenmechanik als auch die Gravitation beschreibt.

Dunkle Materie und Dunkle Energie: Welche Rolle spielen quantenmechanische Effekte bei der Beschreibung von Dunkler Materie und Dunkler Energie, die einen Großteil des Universums ausmachen?

Die Erkenntnisse der Quantenforschung könnten vielseitig zum Einsatz kommen: In abhörsicheren Kommunikationsprotokollen, die auf verschränkten Quantenobjekten basieren. In Quanten-Sensoren, die sehr präzise Messungen erlauben (zum Beispiel gelang es 2010 erstmals, das relativistische Phänomen der Zeitdilatation mithilfe von optischen Atom-Uhren für eine geringe Distanz zu messen). Darüber hinaus gibt es Ansätze wie Quantencomputer aufgrund ihrer exponentiell skalierenden Rechenleistung genutzt werden können, um hochkomplexe Systeme wie etwa die Erdatmosphäre oder auch chemische Reaktionen zu simulieren, um so die Klimaforschung und die Medikamentenentwicklung zu unterstützen.

Qubits sind die kleinsten Informationsbausteine in einem Quantencomputer, vergleichbar mit den klassischen Bits in herkömmlichen Computern. Während klassische Bits entweder den Wert 0 oder 1 haben, können Qubits dank der Superposition gleichzeitig beide Zustände annehmen. Dadurch können Quantencomputer viele Berechnungen parallel durchführen, was sie besonders leistungsfähig macht. Diese Parallelisierung ermöglicht es Quantencomputern, bestimmte Aufgaben in Sekunden zu lösen, die klassische Computer Tausende von Jahren kosten würden. Das Potenzial für exponentielles Wachstum bei der Rechenleistung ist eine der Hauptgründe, warum Quantencomputing als revolutionär angesehen wird.

Die größte Herausforderung ist Dekohärenz: Quantenobjekte sind extrem empfindlich gegenüber Störungen aus ihrer Umgebung, was es schwer macht, ihre quantenmechanischen Eigenschaften aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel verschwinden Interferenzeffekte zwischen zwei Quantenobjekten sehr leicht, wenn die Teilchen unterscheidbar sind, etwa, weil ein Teilchen etwas später als das andere in den Versuchsaufbau geleitet wurde.

Außerdem ist es technisch sehr herausfordernd, eine große Anzahl stabiler Qubits zu erzeugen und miteinander wechselwirken zu lassen. Der von Google entwickelte Quantencomputer arbeitet beispielsweise mit superleitenden Qubits, die konstant auf einer Temperatur von 20 milli-Kelvin gehalten werden müssen.

Es gibt Ansätze, Quantencomputer robust gegenüber auftretenden Fehlern zu machen, jedoch erfordern diese Protokolle eine zusätzliche Anzahl an Qubits, was eine hohe technische Herausforderung darstellt.

• Quantenmechanik – WikipediaExterner Link
• Quantum Mechanics – Stanford EncyclopediaExterner Link
• Interesting facts & quantum terms - DPGExterner Link