Quantentechnologien sind auf dem Weg, die Welt zu verändern. Die weltweite Vernetzung kann ihr Potenzial vervielfachen und neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.
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.
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 kontraintuitiven Phanomene der Quantenmechanik befinden sich mitten im Sprung von deren bloser Erforschung hin zu ihrem Einsatz in nutzlichen Anwendungen. Die Quantensuperposition, die Unscharferelation, das No-Cloning-Theorem und, wohl am bedeutendsten, die Quantenverschrankung ermoglichen nachweislich Computing- und Kryptographie-Algorithmen, die Simulation komplexer physikalischer Phanomene und die Messung physikalischer Grosen auf eine neue und vorteilhafte Art und Weise, die fur klassische Instrumente unerreichbar bleibt. Insbesondere bieten auf Photonen basierte Quantentechnologien einen bequemen Zugang, Quantenzustande vor Dekoharenz zu schutzen und sie, falls erforderlich, verlasslich von einem Ort zum anderen zu ubertragen. Die meisten Anwendungen im Bereich Quantenoptik wurden bereits erfolgreich in Proof-of-Principle-Experimenten demonstriert. Damit Quantentechnologien ihr volles Potential ausschopfen und sich in Gestalt weitverbreiteter Anwendungen mit einem tatsachlichen Vorteil gegenuber ihren klassischen Gegenstucken etablieren konnen, mussen sie skalierbar in ihrer Grose, Zahl, Performance und Preis werden. Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen, die jeweils unterschiedliche Aspekte der Quantenoptik behandeln: Der erste Teil befasst sich mit der Erzeugung von Photonenpaaren unter hohen Raten und zur gleichen Zeit hoher Qualitat in Hinblick auf ihr Verhalten in Quantenexperimenten. Der zweite Teil liefert eine theoretische Abhandlung und experimentelle Demonstration von Quantenkryptographie mit kontinuierlichen Variablen -- einem vielversprechenden Konzept, die uberzeugenden Vorteile der Quantenkommunikation mit handelsublichem Telekom-Equipment und Glasfasernetzwerken kompatibel zu machen. Ich hoffe, dass die Forschungsergebnisse, die in den beiden Teilen dieser Arbeit prasentiert werden, auf dem einen oder anderen Weg ihren Beitrag zur Skalierbarkeit der Quantentechnologien leisten und dadurch dem Vorankommen der sogenannten Quantenrevolution dienlich werden konnen.