Wir befinden uns derzeit auf dem spannenden Weg vom einzelnen Quantensystem zu gut kontrollierten, großen Quanten‐Vielteilchensystemen. Die Suche nach Systemen und Methoden, die eine solche Skalierung ermöglichen, ist eine enorme Herausforderung. Ein vielversprechender Weg sind mit optischen Pinzetten manipulierbare Atomketten. Diese dienen als Quantensimulator und erlauben es, grundlegende Effekte wie Quantenphasenübergänge zu untersuchen. Ein Ziel ist es, Quantentechnologien weiter zu entwickeln und Quantencomputer zu realisieren.
Wir befinden uns derzeit auf dem spannenden Weg vom einzelnen Quantensystem zu gut kontrollierten, großen Quanten‐Vielteilchensystemen. Die Suche nach Systemen und Methoden, die eine solche Skalierung ermöglichen, ist eine enorme Herausforderung. Ein vielversprechender Weg sind mit optischen Pinzetten manipulierbare Atomketten. Diese dienen als Quantensimulator und erlauben es, grundlegende Effekte wie Quantenphasenübergänge zu untersuchen. Ein Ziel ist es, Quantentechnologien weiter zu entwickeln und Quantencomputer zu realisieren.
Zusammenfassung Wir befinden uns derzeit auf dem spannenden Weg vom einzelnen Quantensystem zu gut kontrollierten, großen Quanten‐Vielteilchensystemen. Die Suche nach Systemen und Methoden, die eine solche Skalierung ermöglichen, ist eine enorme Herausforderung. Ein vielversprechender Weg sind mit optischen Pinzetten manipulierbare Atomketten. Mit einem akustooptischen Deflektor, der über einen Mix aus Radiofrequenzsignalen angesteuert wird, kann man viele optische Pinzetten in einer Reihe zugleich erzeugen. In einer Hochvakuumzelle lassen sich somit ultrakalte Atome fangen und zu einer Kette anordnen. Durch Anregung in stark polarisierbare Rydberg‐Zustände kann man die gefangenen Atome miteinander wechselwirken lassen. Die Atomketten dienen als Quantensimulatoren und erlauben es, grundlegende Effekte wie Quantenphasenübergänge zu untersuchen. Ein Ziel ist es, Quantentechnologien weiter zu entwickeln und Quantencomputer zu realisieren. Systeme mit rund 50 Quantenbits sind bereits demonstriert worden.
Zusammenfassung Quantensimulatoren versprechen die kontrollierte Untersuchung komplexer Fragestellungen auf verschiedenen Gebieten der Physik. Eine vielversprechende Forschungsrichtung ist dabei die Quantensimulation von Eichtheorien, die etwa die Grundkräfte der Natur im Standardmodell der Teilchenphysik verkörpern. Hierbei werden die quantenmechanischen Felder mithilfe kontrollierter Quantensysteme im Labor gezielt nachgestellt. Dieser Artikel stellt die analoge Quantensimulation von Eichtheorien anhand des Beispiels einer vereinfachten, eindimensionalen Form der Quantenelektrodynamik vor. Wir beschreiben die Implementierung von elektrischen Feldern und Ladungen mithilfe ultrakalter Atome in optischen Gittern und diskutieren Fragen der Zeitentwicklung und Thermalisierung des Quantenvielteilchensystems. Eine besondere Herausforderung ist hierbei die Implementierung der Eichinvarianz – die definierende Eigenschaft der Eichtheorien, welche zentral für deren besondere Eigenschaften ist. In Zukunft könnten Eichtheorie‐Quantensimulatoren es uns ermöglichen, eine Reihe bisher unbeobachteter – und theoretisch ungelöster – Phänomene zu untersuchen. Ein Beispiel ist die volle quantenmechanische Dynamik des Schwinger‐Effekts, der bei extrem hohen elektrischen Feldstärken die Paarerzeugung von Elektronen und Positronen vorhersagt.
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.
Zusammenfassung Photonen gehören zu den vielversprechenden Quantensystemen, die einen universellen Quantencomputer ermöglichen. Ihre besonderen Eigenschaften, wie Mobilität und der bosonische Charakter, erlauben leistungsstarke Quantenprozessoren für spezielle Anwendungen. Als prominentes Beispiel gilt das Bosonensampeln, mit dem die Quantenüberlegenheit eines Quantencomputers demonstriert wurde. Größte Herausforderungen für die Entwicklung universell anwendbarer photonischer Quantencomputer sind eine effiziente Erzeugung von Einzelphotonen sowie ein stabiles, verlustarmes Prozessieren von Multiphotonen‐Zuständen. Zur Skalierbarkeit photonischer Quantencomputer trägt der rasante Fortschritt bei integrierten optischen Bauteilen bei. Das ermöglicht eine komplette Verarbeitung von Quanteninformation auf einem nanophotonischen Prozessor. Es gibt bereits vielseitige Demonstrationen von möglichen Anwendungen solcher Prozessoren in optischen Quantencomputern. Sie reichen vom maschinellen Lernen bis zur sicheren Datenverarbeitung in Computernetzwerken.
Zusammenfassung Die Quantenschlüsselverteilung ist eine der fortschrittlichsten Quantentechnologien. Entsprechende Komponenten sind kommerziell erhältlich. Ihr Einsatz auf Satelliten und in vielen Demonstrationsnetzen wird weltweit erprobt. Allerdings benötigen die bisher meist verwendeten Verfahren „vertrauenswürdige“ Zwischenstationen, etwa Satelliten. Weltweit arbeiten viele Forschungsgruppen daran, Verfahren mit globaler Reichweite zu entwickeln, die ohne diese speziellen und möglicherweise kompromittierbaren Zwischenstationen auskommen. Eine vielversprechende Lösung sind verschränkungsbasierte Quantennetzwerke via Satellit. Diese ermöglichen zudem die perspektivische Vernetzung von Quantentechnologien wie Quantencomputer, Quantenuhren und Quantensensoren. Das bietet ganz neue Funktionalitäten. Allerdings erfordern viele dieser Konzepte Quantenspeicher an Bord der Satelliten, die als Quantenrepeater fungieren.
Die Bedeutung der Quantenmechanik ist in der Physik über die letzten Jahrzehn te ständig gestiegen.Sie ist natürlich ein wesentliches Werkzeug, um Struktur und Dynamik von mikroskopischen Körpern zu verstehen, etwa von Atomen, Molekülen sowie ihrer Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung.Die Quantenme chanik liefert aber auch das grundlegende Verständnis für zahlreiche technische Systeme: Quellen von Laserlicht (mit Anwendungen in Telekommunikation, Medi zintechnik, Materialbearbeitung), Atomuhren (zentrale Bausteine insbesondere für die Navigationssysteme GPS und Galileo), Transistoren (Computer-und Kommuni kationstechnik), bildgebende Tomographen per Magnetresonanz, Energiegewinnung (Solarzellen, Kerntechnik) usw.-die Liste der Anwendungen hört praktisch nicht auf.Überraschende physikalische Erscheinungen wie Supraflüssigkeiten und Supraleiter haben eine quantenmechanische Erklärung.Großes Interesse wird derzeit bestimm ten verschränkten Quanten-Zuständen gewidmet, die nicht-intuitive Eigenschaften aufweisen: sie sind nicht-lokal, nicht in ihre Teile separierbar und versprechen bemer kenswerte Anwendungen auf dem Gebiet der Quanten-Informatik.Unsere Zivilisation wird also mehr und mehr von technologischen Anwendungen durchdrungen, deren Wurzeln in den Konzepten der Quantenmechanik liegen.Demzufolge verdient das Lernen und Lehren dieser Konzepte besondere Aufmerksamkeit.Das vorliegende dreibändige Werk will einen Beitrag zu diesem Ziel leisten.In der Tat können die ersten Kontakte mit der Quantenmechanik sehr verstörend sein.Dieses Buch entstand aus zahlreichen Lehrveranstaltungen für Studierende mit dem Vorsatz, ihnen den Zugang zu erleichtern und das Verständnis der Leserin und des Lesers von Anfang an bis auf ein fortgeschrittenes Niveau hin stetig zu vertiefen.Die ersten beiden Bände erschienen vor mehr als vierzig Jahren in erster Auflage, sie fanden auf allen Kontinenten Verwendung und wurden in viele Sprachen übersetzt.Sie beschränkten sich inhaltlich allerdings auf ein mittleres Niveau; seit 2017 wer den sie durch den dritten Band ergänzt, der den Lesern erlaubt, weitere Schritte zu gehen.Das gesamte Werk verfolgt systematisch die Strategie, sich den Fragestellun gen schrittweise zu nähern: keine Schwierigkeit wird verschwiegen, und jeder Aspekt der diversen Probleme wird im Detail besprochen.Dabei erinnern wir oft an die Be griffe aus der klassischen Physik (d.h.aus der makroskopischen Welt oder vor der Quanten-Ära).Dieser Wunsch, den Dingen auf den Grund zu gehen, nichts zu "vertuschen" und keine "Abkürzungen" einzuschlagen, spiegelt sich in der Struktur des Lehrwerks wider: der Leser findet zwei verschiedene, aber ineinander verschränkte Stränge -Kapitel und Ergänzungen.Die Kapitel stellen in ihrer Abfolge die Ideen und Begriffe allgemein vor.Auf jedes Kapitel folgen eine oder mehrere Ergänzungen, die die zuvor erarbeiteten Methoden und Konzepte illustrieren.Die Ergänzungen sind voneinander unabhängig, ihr Ziel ist es, einen breiten Fächer von Anwendungen und interessanten