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.
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.
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 Die rasanten Fortschritte in der Wissenschaft, sowie der technologischen Entwicklung der letzten Jahre ermöglichen es, nun maßgeschneiderte Quanteneffekte auszunutzen und die Kontrolle und Manipulation von einzelnen Quantenteilchen zu ermöglichen. Diese häufig auch als 2. Quantenrevolution bezeichnete Entwicklung erschließt neue, mit klassischen Methoden nicht zugängliche Anwendungsbereiche von der Sensorik und Messtechnik bis zur Quanteninfomationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Diese neuartigen Komponenten und Systeme bergen ein großes Potential für eine breite kommerzielle Nutzung und sind daher für die europäische Wirtschaft ein hoch relevanter Zukunftsmarkt. In dieser Einführung soll neben einem kurzen Überblick über das Themenfeld der Quantentechnologien, ein Fokus auf die Grundprinzipien der Quantensensorik und ihren möglichen Anwendungen gelegt werden. Für die Überführung der Quantentechnologien aus dem forschungslabor in robuste und anwenderfreundliche Komponenten und Systeme, sind, neben dem Technologietransfer eng miteinander verzahnte Aktivitäten im Bereich der Standardisierung, Charakterisierung, Zertifizierung und Messtechnik, bis hin zu Themen der Weiterbildung und dem Wissenstransfer in Industrie und Gesellschaft notwendig. Hierzu können in einem ganzheitlichen Ansatz insbesondere die nationalen Metrologieinstitute mit ihrer Bündelung an QT-Infrastruktur und -Expertise in einem gemeinschaftlichen, europäischen Kontext beitragen.
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
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
Die Quantenmechanik und ihre Phänomene, wie zum Beispiel Verschränkung oder Nichtlokalität, sind bis heute nicht vollständig erschlossen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Einführung in den Begriff der Verschränkung und seine Auswirkungen zu geben. Insbesondere Kriterien zur Detektion und Maße zur Quantifizierung von Verschränkung werden vorgestellt. Desweiteren wird der Begriff der Nichtlokalität näher untersucht und eine Möglichkeit, die Bell Ungleichung, vorgestellt nichtlokale Quantenzustände zu detektieren. Ein weiterer Teil dieser Arbeit ist der Frage gewidmet, wie sich Quantenzustände unter LOCC Transformationen und global unitären Transformationen verändern. Hierfür werden mehrere Beispiele behandelt. Unter anderem GHZ-, Werner-, Gisin Zustände werden genauer beleuchtet und deren Veränderung der Verschränkung und Nichtlokalität untersucht. Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage der Visualisierung von Quantenzuständen um ein besseres Verständnis für deren Verhalten zu erlangen. Explizit werden reine zwei qubit Systeme untersucht. Die Verknüpfung solcher Zustände mit dem komplex projektiven Raum ermöglicht eine vollständige geometrische Darstellung. Im Fall von gemischten Zuständen ist die Dimensionszahl zu hoch um eine vernünftige Darstellung aller Zustände zu ermöglichen. Allerdings zeigt sich, dass eine Superposition von Bell Zuständen nur drei Freiheitsgrade besitzt und dadurch darstellbar ist. Doch auch Zustände mit mehr als drei Freiheitsgraden können, durch eine in dieser Arbeit vorgestellte Methode, visualisiert werden, indem der Bereich der physikalischen Zustände innerhalb der darstellung angepasst wird.
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