Volkswagen will weg vom Diesel-Skandal – Investitionen und Innovationen müssen her. Also redet VW viel von Elektromobilität und neuerdings sogar von Quantencomputern. Gemeinsam mit Google will der größte Autokonzern der Welt nichts weniger als die Zukunft des Autos erforschen. \n \nIst das nur ein PR-Gag, oder hat Google wirklich einen Quantencomputer für solche Forschungsprojekte? Das hat Campus-Reporter Nils Birschmann den Heidelberger Physiker Professor Dr. rer. nat. Karlheinz Meier gefragt. \n \nDer Beitrag erschien in der Sendereihe "Campus-Report" - einer Beitragsreihe, in der über aktuelle Themen aus Forschung und Wissenschaft der Universitäten Heidelberg, Mannheim, Karlsruhe und Freiburg berichtet wird. Zu hören ist "Campus-Report" montags bis freitags jeweils um ca. 19.10h im Programm von Radio Regenbogen (Empfang in Nordbaden: UKW 102,8. In Mittelbaden: 100,4 und in Südbaden: 101,1).
Volkswagen will weg vom Diesel-Skandal – Investitionen und Innovationen müssen her. Also redet VW viel von Elektromobilität und neuerdings sogar von Quantencomputern. Gemeinsam mit Google will der größte Autokonzern der Welt nichts weniger als die Zukunft des Autos erforschen. \n \nIst das nur ein PR-Gag, oder hat Google wirklich einen Quantencomputer für solche Forschungsprojekte? Das hat Campus-Reporter Nils Birschmann den Heidelberger Physiker Professor Dr. rer. nat. Karlheinz Meier gefragt. \n \nDer Beitrag erschien in der Sendereihe "Campus-Report" - einer Beitragsreihe, in der über aktuelle Themen aus Forschung und Wissenschaft der Universitäten Heidelberg, Mannheim, Karlsruhe und Freiburg berichtet wird. Zu hören ist "Campus-Report" montags bis freitags jeweils um ca. 19.10h im Programm von Radio Regenbogen (Empfang in Nordbaden: UKW 102,8. In Mittelbaden: 100,4 und in Südbaden: 101,1).
Auf Teilchenebene stattfindende, sogenannte "mikroskopische" Prozesse sind schwer zu messen: Der Messvorgang selbst droht stets den Prozessablauf und damit auch dessen Ergebnis zu beeinflussen. Prof. Dr. Christian Enss, Physiker am Paul-Kirchhoff-Institut, arbeitet mit einem Verfahren, das den Prozessablauf nicht stört: Er misst das Wärmerauschen. Damit kann er beispielsweise beobachten kann, wie Systeme, die sich im Nichtgleichgewicht befinden, ins Gleichgewicht kommen. \n \n \nDer Radiobeitrag erschien in der Sendereihe "Campus-Report" - einer Beitragsreihe, in der über aktuelle Themen aus Forschung und Wissenschaft der Universitäten Heidelberg, Mannheim, Karlsruhe und Freiburg berichtet wird. Zu hören ist "Campus-Report" montags bis freitags jeweils um ca. 19.10h im Programm von Radio Regenbogen. (Empfang in Nordbaden: UKW 102,8. In Mittelbaden: 100,4 und in Südbaden: 101,1)
Zusammenfassung Für den nächsten Konjunkturzyklus benötigen wir viel mehr Rechenkapazität und Computer mit Transistortechnologie kommen an ihre Grenzen. Es sind also neue Innovationen gefragt. Der Quantencomputer, der das binäre System aushebelt und nicht auf Mikroprozessoren aus Silizium basiert, könnte eine Lösung sein. Diese Technologie wird sich exponentiell weiter entwickeln und nachhaltige Auswirkungen auf Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft haben. Speziell die Quantenkommunikation bietet eine vollständig neuartige Möglichkeit verteilter Rechenleistung, indem sie erlaubt Quantencomputer über Quantenkanäle zu vernetzen und so intrinsisch sichere Kommunikation zu gewährleisten. Dieser Artikel macht begreiflich, wie Quantencomputer neue Phänomene ausnutzen, die in der klassischen Physik nicht auftreten. Entlang vier identifizierter Haupteinsatzgebiete (Optimierung, Simulation, Maschinelles Lernen und Kryptographie) beschreiben wir Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen. Wir erklären wie technische Herausforderungen das Potenzial noch zurückhalten und wie der Quantencomputer als Ergänzung zu traditionellen Computersystemen einen großen Beitrag leisten kann. Entsprechend müssen Unternehmen nicht unbedingt in Quantencomputer investieren, sondern in deren Nutzung. Quantum als Service kann ein erster Schritt für visionäre Unternehmer sein, um sich damit vertraut zu machen und frühzeitig Wettbewerbsvorteile zu erlangen.
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
Lange waren Quantencomputer – also Computer, die nicht der Logik von „0“ und „1“ folgen, sondern auf Basis quantenmechanischer Zustände arbeiten – ein Thema für Theoretiker und Grundlagenforscher. Inzwischen wagen Forscherinnen und Forscher weltweit erste Realisierungen der Rechner mit dem Science Fiction-Touch. „Quantencomputer werden die klassischen Computer nicht ersetzen, aber ergänzen für die Lösung spezieller Probleme“, prognostiziert der vielfach ausgezeichnete Experimentalphysiker Wolfgang Wernsdorfer. Ihn und drei weitere Quanten-Pioniere hat Podcaster Heiko Behr im Physik-Hochhaus des KIT aufgesucht und sie zu ihrer Forschung und den Anwendungsperspektiven von Quantencomputern befragt. Zwischen Kryostaten und einer berühmten Katzenkiste ist er dabei zu neuen Einsichten gelangt.
Physik ist eine wunderbare Wissenschaft. Wenn ich einen guten Physiklehrer auf dem Gymnasium gehabt hätte, wäre ich vielleicht Physiker geworden. Ich bereue es aber nicht, Informatiker geworden zu sein. Wenn man tief genug in die Grundlagen der eigenen Wissenschaftsdisziplin einsteigt, dann berührt man auch andere Gebiete der Grundlagenforschung, erwirbt einen Zugang zu den gemeinsamen Fundamenten aller Wissenschaften und sieht vieles klarer und spannender, als wenn man es nur aus der engen Sicht einer Wissenschaftsdisziplin betrachtet. Die Physik bietet gleichzeitig einen breiteren und tieferen Blick auf die Welt und keine andere Wissenschaft hat unser Weltbild insbesondere im neunzehnten und in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts so stark geprägt wie gerade die Physik. Spannende Entdeckungen, unerwartete Wendungen und spektakuläre Ergebnisse waren gang und gäbe in der physikalischen Forschung. Die Quantenmechanik selbst gehört für mich zu den größten Errungenschaften der Wissenschaft. Sie zu verstehen und zu akzeptieren, war für die Menschen nicht leichter als im Mittelalter den Glauben an die zentrale Position der Erde im Universum aufzugeben. Warum hatte die Quantenmechanik mit ihrer Anerkennung ähnliche Probleme wie Galileo Galilei? Die Gesetze der Quantenmechanik sind Regeln für das Verhalten der Elementarteilchen und diese Regeln stehen im Widerspruch zu unseren Erfahrungen aus der Makrowelt. Im Folgenden nennen wir die wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik, die die Weltanschauung der klassischen Physik sprengen.
Physik ist eine wunderbare Wissenschaft. Wenn ich einen guten Physiklehrer auf dem Gymnasium gehabt hätte, ware ich vielleicht Physiker geworden. Ich bereue es aber nicht, Informatiker geworden zu sein. Wenn man tief genug in die Grundlagen der eigenen Wissenschaftsdisziplin einsteigt, dann berührt man auch andere Gebiete der Grundlagenforschung, erwirbt einen Zugang zu den gemeinsamen Fundamenten aller Wissenschaften und sieht vieles klarer und spannender, als wenn man es nur aus der engen Sicht einer Wissenschaftsdisziplin betrachtet. Die Physik bietet gleichzeitig einen breiteren und tieferen Blick auf die Welt und keine andere Wissenschaft hat unser Weltbild insbesondere im neunzehnten und in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts so stark geprägt wie gerade die Physik. Spannende Entdeckungen, unerwartete Wendungen und spektakuläre Ergebnisse waren gang und gäbe in der physikalischen Forschung. Die Quantenmechanik selbst gehort für mich zu den größten Errungenschaften der Wissenschaft. Sie zu verstehen und zu akzeptieren, war für die Menschen nicht leichter als im Mittelalter den Glauben an die zentrale Position der Erde im Universum aufzugeben. Warum hatte die Quantenmechanik mit ihrer Anerkennung ähnliche Probleme wie Galileo Galilei? Die Gesetze der Quantenmechanik sind Regeln für das Verhalten der Elementarteilchen und diese Regeln stehen im Widerspruch zu unseren Erfahrungen aus der Makrowelt. Im Folgenden nennen wir die wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik, die die Weltanschauung der klassischen Physik sprengen.