Die Quantenphysik ist das Fundament vieler zukunftsweisender Technologien, darunter auch die Quantenkommunikation. Diese Physik beschäftigt sich mit den kleinsten Einheiten der Materie und Energie, den sogenannten Quanten, und hilft uns zu verstehen, wie sie auf der subatomaren Ebene agieren.
Was sind Quanten?
Quanten sind extrem kleine Energieeinheiten, die in der subatomaren Welt wirken. Ein bekanntes Beispiel ist das Photon, die kleinste Einheit von Licht. Die Besonderheit an Quanten ist, dass sie in bestimmten, festen Mengen vorkommen, was als „Quantisierung“ bezeichnet wird. Diese diskrete Natur der Quanten zeigt sich besonders in der Art und Weise, wie Atome und Elektronen Energie aufnehmen und abgeben können. Anders als in der klassischen Physik, wo Energie kontinuierlich betrachtet wird, können Elektronen in Atomen nur festgelegte Energiestufen besetzen. Wenn sie Energie in Form eines Photons aufnehmen, springen sie zwischen diesen Stufen hin und her – das nennt man einen Quantensprung. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Funktionsweise vieler quantentechnologischer Anwendungen, einschließlich der Quantenkommunikation.
Atome sind die Grundbausteine der Materie und bestehen aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen, die den Kern umkreisen. Diese Elektronen bewegen sich jedoch nicht willkürlich, sondern nur in festgelegten Bahnen, die durch den Energiezustand des Elektrons bestimmt werden. Quanten wie Photonen können diese Elektronen beeinflussen, indem sie ihnen Energie übertragen. Dies führt dazu, dass das Elektron auf eine andere, höhergelegene Bahn springt. Solche Wechselwirkungen sind typisch für Quantensysteme und bilden die Grundlage vieler technologischer Entwicklungen, darunter auch die Quantenkommunikation.
Der Welle-Teilchen-Dualismus
Eine der faszinierendsten Erkenntnisse der Quantenphysik ist die Doppelrolle, die Quantenobjekte spielen. Sie können sich sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhalten. Dieser „Welle-Teilchen-Dualismus“ wird besonders deutlich, wenn man Experimente durchführt, bei denen Elektronen oder Photonen durch einen engen Spalt geschickt werden. Unter diesen Bedingungen zeigen sie manchmal Eigenschaften von Teilchen, die sich klar an einem bestimmten Punkt aufhalten, und manchmal verhalten sie sich wie Wellen, die sich überlagern und Interferenzen erzeugen. Dieses Verhalten ist eine fundamentale Eigenschaft von Quanten und spielt eine wichtige Rolle in der Quantenkommunikation, da die Art und Weise, wie Informationen übermittelt werden, durch diese duale Natur beeinflusst wird.
Das berühmte Doppelspaltexperiment veranschaulicht die erstaunlichen Eigenschaften von Quanten. Ursprünglich von Thomas Young mit Lichtquanten, den Photonen, durchgeführt, lässt sich das Experiment so vorstellen: Ein Spieler schießt mehrere Bälle mit verbundenen Augen auf eine Wand mit zwei Spalten. Hinter der Wand steht ein Detektor, der festhält, wo die Bälle landen. Erwartungsgemäß zeigt der Detektor zwei Linien, da die Bälle durch die beiden Spalten fliegen. Im Nanokosmos verhalten sich jedoch Quanten anders. Wenn die Photonen nicht beobachtet werden, zeigen sie ein Interferenzmuster – ähnlich wie Wellen, die sich gegenseitig verstärken oder abschwächen. Selbst wenn die Photonen einzeln durch die Spalten fliegen, erscheint das gleiche Muster. Das bedeutet, dass ein Photon durch beide Spalten gleichzeitig gehen und mit sich selbst interferieren kann. Sobald jedoch ein Beobachter misst, durch welchen Spalt das Photon fliegt, verschwindet das Interferenzmuster. Die Photonen verhalten sich dann wie klassische Teilchen, und es sind nur zwei Trefferlinien zu sehen. Dies zeigt: Durch die Beobachtung wird die Welleneigenschaft gestört, und das Photon muss sich entscheiden, welchen Spalt es durchquert. Dieser Effekt gehört zu den faszinierendsten Phänomenen der Quantenwelt.
Das Unsicherheitsprinzip und seine Bedeutung
Ein weiteres zentrales Konzept der Quantenphysik ist das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip. Dieses Prinzip besagt, dass bestimmte Eigenschaften eines Quantenobjekts, wie der Ort und der Impuls, nicht gleichzeitig mit beliebiger Präzision bestimmt werden können. Je genauer man versucht, eine dieser Eigenschaften zu messen, desto ungenauer wird die andere. Dies ist besonders relevant in der Quantenkommunikation, da die Messung eines Quantenobjekts den Zustand des Systems verändert. Dadurch kann man theoretisch nicht abhörsicher kommunizieren, ohne dass ein Abhörversuch den Zustand des Systems verändert und somit entdeckt wird.
Innovation durch bahnbrechende Technologien
Die Quantenphysik, die sich mit den kleinsten Einheiten von Materie und Energie befasst, ist die Grundlage für zahlreiche technologische Durchbrüche. Mit Quantentechnologien werden die besonderen Eigenschaften der Quantenmechanik genutzt, um neue Möglichkeiten in Bereichen wie Kommunikation, Berechnung und Messtechnik zu erschließen. Quantentechnologien beruhen auf den Prinzipien der Quantenmechanik und eröffnen durch die Manipulation von Quanten völlig neue Anwendungsmöglichkeiten. Sie ermöglichen Technologien wie hochpräzise Messungen, abhörsichere Kommunikationssysteme und besonders leistungsfähige Computer. Diese Technologien lassen sich in zwei Generationen einteilen, die sich darin unterscheiden, wie tiefgehend die quantenmechanischen Eigenschaften in der Praxis genutzt werden.
Die Quantentechnologien der ersten Generation basieren auf kollektiven Quanteneffekten und finden bereits seit Jahrzehnten Anwendung in alltäglichen Technologien wie Lasern, GPS und Atomuhren. Diese Technologien nutzen quantenmechanische Phänomene auf einer allgemeinen Ebene, ohne dabei einzelne Quanten gezielt zu manipulieren. Die zweite Generation von Quantentechnologien hingegen geht einen Schritt weiter, indem sie die gezielte Kontrolle einzelner Quantensysteme ermöglicht. Beispiele hierfür sind Quantencomputer, die bestimmte Rechenprobleme deutlich schneller lösen könnten, sowie die Quantenkryptografie, die absolut sichere Kommunikation verspricht. Durch die Anwendung von Effekten wie der Superposition und Verschränkung eröffnen sich neue Möglichkeiten in verschiedenen Industrien und Forschungsbereichen.
Quellen
Demtröder, W. (2014). Einführung in die Quantenmechanik. Springer Vieweg.
Horizonte. Quantentechnologien. (2020). acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften.
