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 vorliegende Masterarbeit widmet sich den physikalischen, technischen und didaktischen Grundlagen des Quantencomputings. Angesichts der zunehmenden Relevanz von Quantentechnologien in Wissenschaft und Industrie stellt sich die Frage, inwieweit grundlegende Konzepte wie Superposition, Quantenverschränkung oder Quantenschaltkreise auch im schulischen Kontext vermittelbar sind. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung eines fundierten Verständnisses der quantenmechanischen Prinzipien sowie deren Übertragung auf die Funktionsweise moderner Quantencomputer. Darüber hinaus wird ein didaktisches Konzept für den Einsatz im Physikunterricht der Sekundarstufe II entwickelt. Die theoretischen Grundlagen werden durch Veranschaulichungen mit der Cloud-Technologie Qiskit ergänzt, die es ermöglicht, reale Quantencomputer zu programmieren. Im Rahmen des didaktischen Teils wird eine methodisch strukturierte Unterrichtseinheit entwickelt, die sowohl eine didaktische Reduktion als auch eine lehrplankonforme Planung berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass die Einführung des Quantencomputings auch im schulischen Kontext realisierbar ist, insbesondere durch den Einsatz visueller und interaktiver Hilfsmittel. Abschließend wird ein Ausblick auf die zukünftige Relevanz des Themas im Bildungsbereich gegeben und die Erkenntnisse der Arbeit werden in einem Fazit zusammengefasst.
In dem Forschungsgebiet der Quanteninformation werden Auswirkungen der Quantentheorie auf die klassische Informationstheorie untersucht. Diese schließen Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und Quanteninformationsverarbeitung (zum Beispiel mit Quantencomputern) ein. In dieser Arbeit werden Fragestellungen der Quantenkommunikationskomplexität behandelt. In der hier betrachteten Variation von Kommunikationskomplexitätsproblemen wird die Wahrscheinlichkeit untersucht, mit der eine binäre Funktion richtig berechnet werden kann, dessen Argumente auf mehrere Parteien verteilt sind. Die Kommunikation zwischen den Parteien ist eingeschränkt. In der Quantenkommunikationskomplexität wird nun der Vorteil untersucht, der entsteht, wenn die Parteien Messungen an Teilen eines verschränkten Systems durchführen dürfen. In dieser Arbeit werden n Parteien betrachtet, die jeweils m Bit Input erhalten. Dafür wird ein Zusammenhang zu Bell-Ungleichungen mit n Teilchen und je m Messeinstellungen mit zwei Messergebnissen hergestellt. Die Messungen können wegen nichtidealen Detektoren scheitern. Es wird untersucht, wie effizient die Detektoren sein müssen, damit ein Vorteil durch Verschränkung entsteht. Diese benötigte Detektoreffizienz kann unter bestimmten Umständen kleiner sein, wenn zusätzliche Kommunikation erlaubt wird. Außerdem wird ein Zusammenhang mit der kritischen Detektoreffizienz des Detektorschlupfloches in Bell-Experimenten hergestellt.
Quantentechnologien (QT) sind ein aufstrebendes Forschungsfeld, das sich mit der Nutzung quantenmechanischer Phänomene, insbesondere der Verschränkung, für neuartige Anwendungen in den Bereichen Computing, Kommunikation und Sensorik beschäftigt. Obwohl die Quantenmechanik bereits Schlüsseltechnologien wie Laser und Transistoren ermöglichte, basierten diese früheren Innovationen nicht auf der gezielten Manipulation einzelner Quantensysteme oder verschränkter Zustände. In den 1990er Jahren begannen Physiker, Informatiker und Informationstheoretiker sogenannte Quantentechnologien der zweiten Generation vorzuschlagen, die aufgrund ihrer möglichen Auswirkungen auf kryptografische Sicherheit und Verteidigung großes Interesse weckten. Im Jahr 2016 unterzeichneten Tausende europäischer Quantenforscher das sogenannte Quantenmanifest, um eine milliardenschwere europäische Großinitiative zu fordern. Im gleichen Jahr stellte IBM seinen ersten Fünf-Qubit-Quantenprozessor der breiten Öffentlichkeit in der Cloud zur Verfügung, und China startete den weltweit ersten Quantenkommunikationssatelliten. Seither hat sich die Dynamik weiter verstärkt, sodass die Vereinten Nationen das Jahr 2025 offiziell zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärten. Diese rasanten Entwicklungen machen eine sorgfältige Technikfolgenabschätzung (TA) erforderlich, deren Ziel es ist, sowohl beabsichtigte als auch unbeabsichtigte Folgen des technologischen Fortschritts zu antizipieren. Neue und aufkommende Technologien wie QT stellen die TA dabei vor besondere Herausforderungen, da sie durch große Unsicherheiten, spekulative Erwartungen und potenziell tiefgreifende gesellschaftliche Auswirkungen geprägt sind. Die frühzeitige Beschäftigung mit diesen Herausforderungen ist entscheidend, um kritische Pfadabhängigkeiten zu erkennen und künftige Problemhorizonte effektiv zu adressieren. Die vorliegende Arbeit widmet sich zwei zentralen Forschungsfragen: (i) Wie können verantwortungsvolle Quantentechnologien von der QT-Community imaginiert, entworfen und umgesetzt werden? (ii) Welche Themen und kritischen Pfadabhängigkeiten sind für die verantwortungsvolle Entwicklung dieser Technologien relevant? Kapitel 1 bietet eine umfassende Bestandsaufnahme der QT und behandelt kommerzielle, akademische, technische, bildungspolitische und geopolitische Aspekte. Kapitel 2 analysiert, wie Verantwortung innerhalb der QT-Community verstanden, diskutiert und praktiziert wird. Kapitel 3 fasst die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Kapiteln zusammen und identifiziert zentrale Bedingungen und Pfadabhängigkeiten für verantwortungsvolle QT-Zukünfte. Mit dieser explorativen Studie trägt die Arbeit explizit zur TA bei, indem sie QT exemplarisch nutzt, um den Umgang mit neuen Technologien besser zu verstehen. Sie identifiziert wesentliche Faktoren, die die Entwicklungspfade von QT prägen, und ermöglicht so die frühzeitige Antizipation technologischer, ethischer und gesellschaftlicher Herausforderungen. Ziel der Arbeit ist es, die TA mit neuen Erkenntnissen für den besseren Umgang mit Unsicherheiten und Komplexitäten in aufkommenden Technologiefeldern zu unterstützen.
In den letzten Jahrzehnten hat die Quantentechnologie rasante Fortschritte gemacht. Die sich daraus ergebenden Anwendungen und Möglichkeiten dringen immer stärker in das Bewusstsein der interessierten Menschen und finden ihren Niederschlag in der medialen Begleitung. Parallel dazu bahnt sich ein Paradigmenwechsel im Unterricht über Quantenphysik sowohl an der Schule als auch an der Universität an. Insbesondere treten die vielfach diskutierten Interpretationsfragen in den Hintergrund und machen einer pragmatischen Betrachtungsweise Platz, die die Besonderheiten der Quantenphysik als gegeben akzeptiert und sie für neue bislang ungeahnte Anwendungen nutzt. Dabei stellt sich die Frage, welche Aspekte für den Schulunterricht auf verschiedenen Stufen, für die universitäre Ausbildung von Physikern und von Ingenieuren von besonderer Bedeutung sind. In diesem Vortrag werde ich mich auf den Bereich der Quanteninformatik konzentrieren und ausloten, welche Aspekte sich hierbei im Sinne einer Allgemeinbildung als relevant und realisierbar für den schulischen Unterricht erweisen können.
Das zunehmende Forschungsfeld optisch adressierbarer und spintragender molekularer Systeme entwickelt sich gegenwärtig als vielversprechende Alternative zu traditionellen festkörperbasierten Quantenemittern. Diese molekularen Systeme bieten spezifische Vorteile: ihre chemische Struktur sowie das Ligandenumfeld können durch gezieltes chemisches Design präzise angepasst werden, um die Materialeigenschaften zu verbessern, indem die Dekohärenzmechanismen von optischen und spinbasierten Übergängen reduziert werden. Diese Arbeit präsentiert eine umfassende experimentelle Untersuchung von fünf
Eu3+-basierten molekularen Komplexen mit dem vorrangigen Ziel, vielversprechende Kandidaten für zukünftige Quanteninformationsanwendungen zu identifizieren. Der Referenzkomplex
[Eu(BA)4(pip)] diente dabei als Grundlage für die Entwicklung und Validierung aller spektroskopischen Methoden, die im Verlauf dieser Arbeit angewandt wurden. Durch die systematische Charakterisierung der Referenzprobe
[Eu(BA)4(pip)] mittels der Ensemblespektroskopie, die Photolumineszensanregungsspektren, spektrales Lochbrennen, freien Induktionszerfall sowie Photonechos umfasst, wurde ein experimenteller Rahmen geschaffen, der auf alle weiteren Proben angewendet werden konnte. Unter den untersuchten molekularen Komplexen erwies sich der dinukleare Komplex
[Eu2(btfa)6(bpim)] als besonders vielversprechend, da es nach
[Eu(BA)4(pip)] erst das zweite System ist, an dem ein eindeutiges Photonechosignal beobachtet werden konnte. Die daraus bestimmte optische Kohärenzzeit beträgt 1,96 µs. Zudem bietet die dinukleare Struktur von
[Eu2(btfa)6(bpim)] die Möglichkeit, ein Zwei-Qubit-Gatter zu realisieren, das über elektrische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen kontrolliert werden kann. Eine weitere bemerkenswerte Beobachtung bei den meisten
Eu3+-basierten Komplexen ist die lange Hyperfeinlebensdauer, die im Fall von
[Eu(trensal)] etwa 8 min beträgt und auf gute spinbasierte Kohärenzeigenschaften hindeutet. Die Referenzprobe
[Eu(BA)4(pip)] wies darüber hinaus eine sehr schmale inhomogene Linie mit einer Breite von 1,95 GHz auf, die deutlich geringer ist als der in der Literatur berichtete Wert [1]. Diese Verbesserung wurde durch die erfolgreiche Rekristallisation makroskopischer Einkristalle erzielt, die im Vergleich zu Pulver oder mikrokristallinen Proben eine bessere strukturelle Ordnung besitzen. Auch die extrem schmalen spektralen Löcher motivierten weitere Untersuchungen solcher makroskopischer Materialien. Angesichts des bestehenden Bedarfs an überzeugenden Spineigenschaften in molekularen Systemen, wobei insbesondere in
Eu3+-basierten Komplexen noch keine Spinsignatur nachgewiesen werden konnte, wurde der Fokus anschließend auf deren gezielte Untersuchung gelegt. Durch die Integration einer zylindrischen Hochfrequenz-Spule in den kryogenen Aufbau konnten erstmals optisch detektierte Kernspinmagnetresonanzen auf beiden Hyperfeinübergängen des Isotops
151Eu3+ gemessen werden. Dadurch gelang es, eine kohärente Kontrolle des Kernspins mittels Rabi-Oszillationen zu demonstrieren. Anschließend erfolgte eine erste Bestimmung der Spinkohärenzzeit von 613 µs, die über ein Spinecho-Experiment gemessen wurde. Die Verwendung von dynamischer Entkopplung über die CPMG-Pulssequenz verlängerte die Spinkohärenzzeit auf 2 ms. Diese Ergebnisse stellen einen Meilenstein in der Spincharakterisierung von auf seltenen Erden basierenden molekularen Systemen dar. Neben der Spektroskopie wurde auch ein neuartiger, tieftemperaturtauglicher optischer Fabry-Pérot-Resonator auf Basis einer scannbaren Piezoröhre entwickelt, der bei Raumtemperatur Scanbewegungen in alle drei Raumrichtungen ermöglicht. Das System erreichte eine passive Stabilität von 0,7 nm RMS bei Raumtemperatur und 12,25 pm RMS bei einer Temperatur von 100 mK. Obwohl die laterale 2D-Rasterscanfähigkeit bei tiefen Temperaturen durch die verringerte Piezoauslenkung eingeschränkt wurde, konnte die mechanische Robustheit des Aufbaus in den ersten Experimenten bestätigt werden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass diese Arbeit erstmals eine vollständige optische und spinbasierte Kohärenzcharakterisierung eines mit Selten-Erd-Ionen integrierten molekularen Emittersystems liefert, die als Grundlage für die Identifikation vielversprechender Materialien für Quanteninformationsanwendungen dienen kann. Mit weiteren Fortschritten in der Materialsynthese, der Integration in optische Resonatoren sowie der Erforschung und Reduktion von Dekohärenzmechanismen könnten molekulare Quantensysteme zunehmend an Bedeutung gewinnen und sich potenziell zu skalierbaren, robusten Plattformen für zukünftige Quantentechnologien entwickeln. [1] Serrano, D., Kuppusamy, S.K., Heinrich, B. et al., "Ultra-narrow optical linewidths in rare-earth molecular crystals". Nature 603, 241–246 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04316-2