Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/anwendungen-fuer-quantencomputer-der-spuk-in-ihrem-computer-1707-127882.html    Veröffentlicht: 10.07.2017 09:29    Kurz-URL: https://glm.io/127882

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?

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.

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

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.

Festplatte mit Spin

Zunächst kam mit der Erfindung des Transistors der Tunneleffekt ins Spiel. Das ist nicht unbedingt von den Erfindern so gewollt: Der Tunneleffekt bewirkt, dass mit sinkender Höhe einer Barriere die Chance oder das Risiko steigt, dass diese von einem Ladungsträger überwunden wird. Beim Feldeffekt-Transistor bildet oder verringert, je nach Bauform, zum Beispiel ein elektrisches Feld diese Barriere, beim Bipolartransistor ist ein geringer Stromfluss die Ursache. Ungewollte Auswirkungen bringt der Tunneleffekt hier mit sich, weil er auch für Leckströme verantwortlich sein kann - in der Quantenphysik sind eben alle Vorgänge mit Wahrscheinlichkeiten verknüpft und lassen sich nicht einfach komplett ein- oder ausschalten.

Eine physikalische Eigenschaft, die es in der klassischen Physik nicht gibt, ist der Spin. Diese - populär ausgedrückt - Eigendrehung von Teilchen hat beim Elektron, dem klassischen Ladungsträger der Elektronik, den Wert 1/2. Er kann nach oben und nach unten gerichtet sein, andere Möglichkeiten gibt es nicht. Das ruft natürlich geradezu danach, in der IT als zusätzliche Information neben der Ladung genutzt zu werden. Das Fachgebiet der Spintronik beschäftigt sich damit.

Spintronik hat die Elektronik nicht abgelöst

Praktische Anwendungen wurden von den Ingenieuren schon länger versprochen, bleiben aber bislang aus, vor allem, weil die Miniaturisierung der herkömmlichen Elektronik bisher immer wieder für unüberwindbar gehaltene Grenzen überschreitet. Doch auch wenn die Spintronik die Elektronik nicht abgelöst hat, findet der - mit dem magnetischen Moment und damit der Magnetisierung eines Materials verknüpfte - Spin längst weitreichende Anwendung, in Festplatten etwa.

Dort nutzt man seit einiger Zeit den Riesenmagnetowiderstand (GMR, Giant Magneto Resistance): Dieser quantenphysikalische Effekt bewirkt, dass sich der elektrische Widerstand einer Struktur über die Magnetisierung darüber und darunter liegender Schichten beeinflussen lässt. Peter Grünberg (Jülich) und Albert Fert (Paris) haben 2007 für diese Entdeckung aus dem Jahr 1988 den Nobelpreis für Physik erhalten. Es handelt sich vermutlich um die am schnellsten in den Alltag übertragene physikalische Entdeckung der Geschichte. Schon 1997 stellte IBM die erste kommerzielle GMR-Festplatte vor. Die Technik ermöglichte einen enormen Sprung in der Speicherdichte von Festplatten und ist heute Standard. Die Anwendung in Speicherchips als MRAM will sich hingegen - vor allem aus Kostengründen - nicht so recht durchsetzen, obwohl es bereits einen kommerziellen Anbieter dafür gibt.

Ein Forschungsgebiet mit Zukunft sind die Supraleiter.

Hat Denken eine quantenphysikalische Komponente?

Die Eigenschaft bestimmter Materialien, dass ihr elektrischer Widerstand unterhalb einer Sprungtemperatur auf Null fällt, ist ein makroskopischer Quantenzustand. Anwendung findet der Effekt derzeit vor allem dann, wenn es darum geht, große Ströme verlustfrei zu leiten - etwa in Spulen zur Erzeugung starker Magnetfelder, wie sie in Teilchenbeschleunigern gebraucht werden. Für die gewöhnliche Energieübertragung ist die Technik noch zu teuer. Aus supraleitenden Schaltkreisen bestehende Qubits stellen derzeit die vielversprechendste Technik zur Konstruktion von Quantencomputern dar.

Gern schreiben Medien über die Gefahren von Sonneneruptionen für unsere Wirtschaft. Allein die Störung der Satelliten-Navigation würde demnach für Chaos sorgen. Die Grundlage dafür, dass GPS, Galileo und Glonass aber überhaupt funktionieren, sind Atomuhren - und die sind ohne quantenphysikalische Effekte nicht möglich.

Atomuhren nutzen Quanteneffekte

Die Zeitmessung basiert bei ihnen nämlich darauf, dass bei Übergängen zwischen zwei Energieniveaus Photonen einer ganz bestimmten Frequenz abgegeben werden. In der Praxis stabilisiert man mit Hilfe dieser absolut zuverlässigen Frequenz die Schwingfrequenz eines Quarzoszillators. Das Zeitnormal, das die Physikalisch-Technische Bundesanstalt auf Basis einer Cäsium-Atomuhr erzeugt, lässt sich über den Zeitzeichensender DCF-77 oder über den Netzdienst NTP abfragen. Ihr (Windows-)Computer holt sich die Zeit wahrscheinlich von time.windows.com, das lässt sich aber umstellen.

Technische Anwendungen der Quantenphysik existieren noch in vielen anderen Bereichen - der Magnetresonanztomograf der Mediziner gehört ebenso dazu wie die AMR-Sensoren und Lidar-Scanner der Autoindustrie oder die Rastertunnel- und Elektronen-Mikroskope der Biologen und Materialforscher. Manche Forscher vermuten sogar, dass die Denkprozesse des Menschen eine quantenphysikalische Komponente haben. Beweise dafür gibt es jedoch bisher nicht.  (mma)


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