Anwendungen für Quantencomputer: Der Spuk in Ihrem Computer

Ohne die seltsamen Phänomene der Quantenphysik kommt längst kein IT-System mehr aus. Wo spukt es besonders?

Ein Bericht von Matthias Matting veröffentlicht am
Peter Grünberg, Nobelpreisträger 2007 für GMR: die am schnellsten in den Alltag übertragene physikalische Entdeckung der Geschichte
Peter Grünberg, Nobelpreisträger 2007 für GMR: die am schnellsten in den Alltag übertragene physikalische Entdeckung der Geschichte (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Die Quantenphysik ist eine der grundlegenden Theorien, die zur Beschreibung des Aufbaus unserer Welt herangezogen werden. Sie ist experimentell sehr gut bestätigt, man kann auf ihrer Grundlage wichtige Vorhersagen treffen und die Ergebnisse nachmessen. Aus dem Universum ist sie nicht wegzudenken, kein Atom wäre stabil ohne sie - insofern ist die Frage nach ihren Anwendungen eigentlich ein bisschen kurzsichtig.

Inhalt:
  1. Anwendungen für Quantencomputer: Der Spuk in Ihrem Computer
  2. Festplatte mit Spin
  3. Hat Denken eine quantenphysikalische Komponente?

Das Universum selbst, wie wir es kennen, ist eine solche "Anwendung" der Quantenphysik und damit natürlich auch alles, was darin steckt - der Mensch und seine Technik-Gadgets eingeschlossen.

Moderne Technik basiert auf Quantentheorie

Aber man kann die Frage berechtigterweise auch konkreter stellen: Gibt es technische Anwendungen, die durch die Erkenntnisse der Physiker im Bereich der Quantentheorie erst ermöglicht wurden? Dinge wie etwa die Glühlampe oder das Relais hat der Mensch ja erfunden, ohne bereits Ahnung von der seltsamen Welt der Quanten zu haben, einfach durch Nachdenken und Experimentieren. Doch wenn wir von moderner, aktueller Technik sprechen, sieht es anders aus: Fast jedes aktuelle Produkt beruht in der einen oder anderen Form auf den Leistungen von Schrödinger, Heisenberg & Co.

Gern genannt wird dabei der Laser, der im Grunde aber noch eine Stellung zwischen klassischer Physik und Quantenphysik einnimmt. Er beruht darauf, dass die Elektronen in der Atomhülle in diskreten, quantisierten Energieniveaus vorliegen - also ein Quanteneffekt. Doch was er ausstrahlt, sind ganz normale Photonen, die normalerweise nicht etwa miteinander verschränkt sind - aber davon besonders viele und mit identischer Energie, die der Energiedifferenz der verwendeten Zustandsebenen entspricht.

Licht hat Vorteile gegenüber Elektronen

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Laser stecken sowohl in optischen Speichermedien, deren Bedeutung tendenziell wohl eher abnimmt, als auch in optischen Übertragungsstrecken, die für die Zukunft versprechen, den elektrischen Informationstransport auch über kürzere Distanzen, etwa im Computer oder innerhalb eines Chips, abzulösen. Denn selbst gewöhnliches Licht weist gegenüber den Elektronen der Elektronik drei große Vorteile auf: Es lässt sich nicht so leicht ablenken, geht nicht so schnell verloren, und es bewegt sich ungleich schneller.

Bei Halbleitern ist der Fall ähnlich gelagert: Die Halbleiterdiode wurde zwar schon 1874 von Ferdinand Braun entdeckt, der feststellte, dass Bleisulfid in kristalliner Form bei wechselnder Stromrichtung einen unterschiedlichen Widerstand besitzt. Doch Braun konnte sich weder praktische Anwendungen dazu denken - dazu kam es erst 1906 - noch das Prinzip dahinter erklären - das gelang dann Walter Schottky 1939 auf Basis der Quantentheorie. Rein sachlich funktioniert also jede Schaltung, jeder integrierte Schaltkreis auf der Quantisierung von Energieniveaus. Das ist so trivial, dass man es heute kaum noch als der Rede wert erachtet.

"Echte" Quanteneffekte nutzt die Elektronik aber auch.

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Festplatte mit Spin 
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