Die totale Festlegung durch einen Determinismus, wie er im wissenschaftlichen Sinne zu verstehen ist, und ein reiner Zufall, der jede Kausalität ausschließt, würden freie selbstbestimmte Handlungen unmöglich machen. Die Veränderungen, die durch die dynamische Schichtenstruktur von quantischer und klassischer Physik erfasst werden, also durch die für uns Menschen bestmögliche Beschreibung der natürlichen Vorgänge, lassen uns erkennen, dass diese beiden extremen Standpunkte aus naturwissenschaftlicher Sicht falsch sind. Auf der Basis der nichtdeterministischen Grundstruktur kann naturwissenschaftlich die Möglichkeit freier Entscheidungen und zugleich die relativ große Festgelegtheit menschlichen Verhaltens erklärt werden. Die Quanteninformation zeigt die Möglichkeit von „Information über Information“, also von Reflexionen auf, mit denen es möglich wird, Gründe zu erwägen und daraufhin tatsächlich freie Entscheidungen fällen zu können.
Die totale Festlegung durch einen Determinismus, wie er im wissenschaftlichen Sinne zu verstehen ist, und ein reiner Zufall, der jede Kausalität ausschließt, würden freie selbstbestimmte Handlungen unmöglich machen. Die Veränderungen, die durch die dynamische Schichtenstruktur von quantischer und klassischer Physik erfasst werden, also durch die für uns Menschen bestmögliche Beschreibung der natürlichen Vorgänge, lassen uns erkennen, dass diese beiden extremen Standpunkte aus naturwissenschaftlicher Sicht falsch sind. Auf der Basis der nichtdeterministischen Grundstruktur kann naturwissenschaftlich die Möglichkeit freier Entscheidungen und zugleich die relativ große Festgelegtheit menschlichen Verhaltens erklärt werden. Die Quanteninformation zeigt die Möglichkeit von „Information über Information“, also von Reflexionen auf, mit denen es möglich wird, Gründe zu erwägen und daraufhin tatsächlich freie Entscheidungen fällen zu können.
In diesem zentralen Kapitel wird gezeigt, dass das Unbewusste und darauf aufbauend das Bewusstsein mit seinen Gedanken naturwissenschaftliche Realitäten sind. Deshalb gehen davon auch reale Wirkungen aus. Unser Bewusstsein ist etwas anderes als unser Gehirn, obwohl beide, solange wir leben, eine unauflösliche Einheit bilden. Bewusstsein ist aus naturwissenschaftlicher Sicht diejenige Form von Quanteninformation, die sich selbst erlebt und kennt. Das Bewusstsein beruht auf der unauflösbaren Einheit von Hard- und Software in der biologischen Informationsverarbeitung. Es ermöglicht, Informationsmodelle zu erzeugen und anhand der Modelle des Körpers und der Umwelt auch Handlungen zu planen. Mit den quantischen Eigenschaften der Psyche kann u.a. die Bindung der Wahrnehmungen aus den verschiedenen Sinnesorganen zu einem Objekt erklärt werden. Die Quantentheorie liefert die objektiven Aussagen über die universellen Quantenstrukturen, welche die Existenz von Bewusstsein ermöglichen, und sie zeigt weiterhin, warum die Inhalte eines jeden individuellen Bewusstseins zwangsläufig subjektiv sind. Diese Eigenschaft des „Privat-Seins“, des subjektiven Empfindens, wird üblicherweise mit dem Begriff der „Qualia“ gekennzeichnet. Spezielle Bewusstseinszustände wie u.a. Traum, Flow und Meditation, werden in das naturwissenschaftliche Verstehen einbezogen.
In einer vollständigen Theorie gibt es zu jedem Element der Realität stets ein entsprechendes Element. Eine hinreichende Bedingung für die Realität einer physikalischen Größe ist die Möglichkeit, sie mit Sicherheit vorherzusagen, ohne das System zu stören. In der Quantenmechanik schließt im Falle von zwei physikalischen Größen, die durch nicht-kommutierende Operatoren beschrieben werden, das Wissen von der einen das Wissen von der anderen aus. Dann ist entweder (1) die Beschreibung der Realität, die durch die Wellenfunktion in der Quantenmechanik gegeben wird, nicht vollständig oder (2) diesen beiden Größen kann nicht gleichzeitig Realität zukommen. Die Betrachtung des Problems, Vorhersagen bezüglich eines Systems auf der Grundlage von Messungen zu machen, die an einem anderen System, das zuvor mit dem ersteren in Wechselwirkung stand, ausgeführt wurden, führen auf das Ergebnis, daß wenn (1) falsch ist, dann auch (2) falsch ist. Man wird so zu dem Schluß geführt, daß die Beschreibung der Realität, wie sie von der Wellenfunktion geleistet wird, nicht vollständig ist.
Die moderne Technik, die wir im Alltag so umfangreich vom Handy über die Computer und vieles andere nutzen, beruht wesentlich auf Ergebnissen der Quantentheorie. Sollten uns diese Erfolge nicht nötigen, sowohl über die Grundstrukturen der Welt als auch des Menschen und die sich ergebenden naturwissenschaftlichen und philosophischen Konsequenzen in entscheidend neuer Weise nachzudenken? Eine bedeutungsfreie abstrakte Quanteninformation liefert die Grundlage für diese neue Sicht. Das evolutionäre Geschehen mit seinen physikalischen, chemischen und biologischen Zusammenhängen wird durch die dynamische Schichtenstruktur begreifbar, welche sowohl die Fakten als auch die quantischen Möglichkeiten in ihrem Wechsel als wirkende Aspekte der physikalischen Weltbeschreibung berücksichtigt. Das Einbeziehen der Quantentheorie hat ein naturwissenschaftliches Verstehen der Einheit von Leib und Seele ermöglicht – der Einheit, als die sich der Mensch in seinen sozialen Bezügen formt. Der einführende Überblick soll den Einstieg ins Buch erleichtern.
Die Quantenmechanik ist eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik.Mit ihr lassen sich nicht nur grundlegende Phänomene wie z.B. das Emissionsspektrum von Atomen oder die Stabilität von Materie erklären, sondern sie steckt auch in vielen technischen Anwendungen vom MP3-Player bis zum Tunnelmikroskop, und in Zukunft werden wir vermutlich Technologien wie Quantenkryptographie oder Quantencomputer mit großer Selbstverständlichkeit einsetzen.Die Kenntnis der Quantenmechanik ist daher nicht nur ein Schlüssel für das Verständnis unserer Welt, sondern unabdingbar für die Entwicklung moderner Technologien.Folgerichtig wird die Quantenmechanik heute oft schon in der Schule gelehrt; in jedem Fall jedoch an Universitäten, wo sie in den meisten Naturwissenschaften und auch in vielen Ingenieurwissenschaften zum Curriculum gehört.Eine große Hürde bei der Vermittlung und damit auch auf dem Weg zum Verständnis der Quantenmechanik ist nun nicht, wie man etwa vermuten könnte, die Mathematik, auch wenn diese an der einen oder anderen Stelle sicherlich einige Herausforderungen beinhaltet, sondern die Sprache.Der Grund dafür liegt darin, dass Sprache kein gegebenes Konstrukt ist, welches unabhängig vom Menschen und dessen Wissen über die Welt existiert, sondern sich vielmehr im Laufe der Menschheitsgeschichte durch die Auseinandersetzung des Menschen mit seiner Umwelt entwickelt hat.Sprache ist damit auch immer ein Abbild der Welt, so wie sie der Mensch wahrnimmt.Und dass diese Wahrnehmung gelegentlich trügt, wissen wir spätestens seit Einstein, der uns gezeigt hat, dass unsere Vorstellung von Raum und Zeit nicht der physikalischen Wirklichkeit entspricht.Die Quantenmechanik führt uns nun, mehr noch als die Relativitätstheorie, weg von den uns vertrauten Vorstellungen von der physikalischen Wirklichkeit.Damit verliert aber auch die Sprache ihre Legitimation als ein Werkzeug zur Beschreibung der Quantenmechanik.Streng genommen verbleibt als einzig legitimer Zugang zur Quantenmechanik daher die Mathematik.Mit ihr lassen sich, aufbauend auf einer Handvoll Axiome, alle Gesetze der Quantenmechanik ableiten und damit alle physikalischen Beobachtungen korrekt und widerspruchsfrei beschreiben.Allerdings sind diese Axiome, im Gegensatz zu z.B. denen der Newton'schen Mechanik, alles andere als unmittelbar einsichtig.Um daher auch solchen Leserinnen und Lesern den Zugang zur Quantenmechanik zu ermöglichen, welche die Quantenmechanik nicht als Teildisziplin der Mathematik oder der theoretischen Physik betreiben wollen, werden wir in diesem Buch trotz aller Gefahren den Weg der Sprache und der Bilder beschreiten.Dabei gehen wir von wenigen einfachen Schlüsselexperimenten aus, mit denen sich die Grundgleichungen der Quantenmechanik anschaulich begründen lassen.Im Gegensatz zu vielen anderen Lehrbüchern greifen wir jedoch nicht auf das berühmte Doppelspaltexperiment mit Elektronen oder das Experiment von Stern-Gerlach zurück, sondern wir arbeiten in den ersten Kapiteln ausschließlich mit einem Interferometer und Polarisationsfiltern
Die völlige Neugestaltung, die unser Naturbild in der letzten Zeit durch die großartigen Fortschritte der theoretischen Physik erfahren hat, hat in weiten Kreisen ein lebhaftes Interesse für die Probleme dieses Wissenszweiges geweckt.Manche, denen es an der Zeit oder an den Vorkenntnissen fehlt, um die modernen theoretisch-physikalischen Originalabhandlungen selbst oder um Werke zu studieren, die einzelnen speziellen Gegenständen gewidmet sind, werden vielleicht den Wunsch nach einer nicht zu umfangreichen Darstellung hegen, die von durchaus modernen Gesichtspunkten aus und unter Benutzung moderner Methoden einen Überblick über den gegenwärtigen Stand der gesamten theoretischen Physik gewährt und, ohne zu sehr in Einzelheiten einzugehen, doch ein exaktes Verständnis der Grundlagen und der Hauptprobleme dieser Wissenschaft ermöglicht.
Quantencomputer besitzen das Potenzial, um in naher Zukunft Probleme, die mit herkömmlichen Computern und Supercomputern nicht bewältigbar sind, zu lösen. Bisher ist die Umsetzung dieser Technologie in der Industrie noch in der Anfangsphase, wodurch der Einsatz von Quantencomputern bisher nur für Forschungsprojekte möglich ist. Dennoch ermöglichen es große IT-Unternehmen, interessierten Personen einen indirekten Zugang zu Quantencomputern über deren Services. Da die Technologien und Konzepte, auf denen Quantencomputern basieren, sehr umfangreich und komplex sind, ist es für interessierte Personen, die sich in diese neue Materie vertiefen wollen, oft schwierig, die Hauptkonzepte, die benötigt werden, um Quantencomputern zu verstehen, zu identifizieren und somit ein Grundverständnis von Quantencomputern zu erlangen. Aus diesem Grund besteht der Hauptzweck dieser Arbeit darin, die benötigten Grundkonzepte und Themen auf denen Quantencomputer aufbauen, zu identifizieren und auszuarbeiten. Hierfür werden die Konzepte von bekannten Lehrbüchern im Bereich Quantencomputer herangezogen und systematisch nach deren Wichtigkeit für das Verständnis von Quantencomputern gegliedert, aufgelistet und ausgearbeitet. Für den praktischen Teil der Arbeit werden zwei Quantenbeispiele anhand des zuvor erarbeiteten Wissens beschrieben und erweitert. Die zuvor identifizierten und beschriebenen Grundkonzepte werden anschließend grafisch mittels einer Concept-Map dargestellt, diese bietet einen systematischen Überblick über die einzelnen Konzepte und deren Abhängigkeiten zueinander. Der Vorteil in der Darstellung von Wissen mittels einer Concept-Map besteht darin, dass die Visualisierung der Verbindungen zwischen den einzelnen Konzepten hervorgehoben wird. Zusätzlich wird auf Basis des erarbeiteten Wissens ein Beispiel-Curriculum für eine Lehrveranstaltung, die das Ziel hat, die Grundkonzepte von Quantencomputern zu vermitteln, erstellt. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass die Konzepte, auf denen Quantencomputer aufbauen, in drei Grundkompetenzen unterteilt werden können. Zum einen die Kompetenz der linearen Algebra, in dem die meisten Konzepte und Themen bereits in einem vorangegangenen Studium behandelt wurden. Zum anderen die der Informatik-Konzepte, wobei hier wie bei der linearen Algebra das Verständnis im Bereich der Programmierung angenommen werden kann. Die Kompetenz der Quantenmechanik stützt sich auf die Konzepte, die von Quantencomputern genutzt wird und auf die Kompetenzen und das Wissen der beiden anderen Kompetenzen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass für das reine Verständnis von Quantencomputern und dem Replizieren von bereits erstellten Quantenalgorithmen eine große Anzahl an unterschiedlichen Konzepten benötigt wird. Für die Fähigkeit der Entwicklung von eigenen Quantenalgorithmen reicht das erarbeitet Wissen nicht aus, sondern wird als Grundwissen angesehen.