Quantentechnologien

Photonik – Enabler der zweiten Quantenrevolution

Die Quantentechnologien bieten große Potenziale, um bestehende Techniken zu revolutionieren und aktuelle Leistungsgrenzen technischer Geräte zu überwinden. Quantentechnologien bieten fundamental neue Möglichkeiten, z. B. für ultragenaue Messtechniken und abhörsichere Datenübertragung.

Für neuartige Sensorik und Informationsverarbeitung, die die Quantentechnologien 2.0 nutzt, spielen photonische Prinzipien und Systeme eine zentrale Rolle. Aus der aktuellen Grundlagenforschung werden sich in einigen Jahren umwälzende Durchbrüche z.B. für die Nachweisempfindlichkeit oder die Präzision optischer Verfahren ergeben.

Wichtigstes Ziel ist es, die Quantentechnologien aus den Laboren in die Anwendung zu bringen.

Quantentechnologien basieren auf den verschiedenen quantenmechanischen Phänomenen und haben seit den 1950er Jahren zu einer Vielzahl an Anwendungen geführt, welche oft als Quantentechnologien der ersten Generation bezeichnet werden. Hierzu gehören, neben Entwicklungen im Halbleiterbereich und Atomuhren auch der Laser, welcher seither in einzigartiger Weise in vielfältigsten Bereichen der Wissenschaft und Wirtschaft Einzug gehalten hat.

Bei den Quantentechnologien der 2. Generation geht es um die gezielte quantenmechanische Kontrolle einzelner oder weniger Elementarteilchen.

Die Anwendungsfelder der zweiten Generation der Quantentechnologien können schwerpunktmäßig in vier Haupt-Themenfelder eingeteilt werden:

Quantensensorik
Quantenkommunikation
Quantenbildgebung und
Quantencomputer

Beim überwiegenden Teil der genannten Anwendungsbereiche bilden Effekte und Anwendungen aus dem Bereich der Photonik die Grundlage für die Quantentechnologien oder sie ermöglichen diese maßgeblich (Enabling-Technologie).

Quantensensorik

Durch quantenmechanische Effekte können hochpräzise Gyroskope und Sensoren zur Messung von z.B. Temperaturen, Magnetfeldern, Gravitationsfeldern oder elektrischen Feldern realisiert werden.

Beispielsweise können Sensoren auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen in einem Diamantkristall zur Detektion von Magnetfeldern genutzt werden. Hierzu wird zunächst eine Nadel aus Diamanten hergestellt, in deren Spitze zwei Kohlenstoffatome entfernt und durch ein Stickstoffmolekül ersetzt. Durch externe Magnetfelder erfährt das Stickstoffmolekül eine Aufspaltung der Energieniveaus. Die Aufspaltung kann optisch detektiert werden.

Die hohe Messgenauigkeit macht Quantensensoren für viele Anwendungen interessant, z.B. in der medizinischen Diagnostik oder zur Rohstoff-Exploration.

Quantenkommunikation

Durch Quantenkommunikation lassen sich Datenübertragungen abhörsicher gestalten. Hierbei werden verschränkte Photonen zur Schlüsselübertragung genutzt. Falls die Übertragung abgehört wird, so kann dies festgestellt werden. Das sog. No-Cloning-Theorem verhindert das unbemerkte Abhören der Datenübertragung.

Quantenbildgebung

Bei der Quantenbildgebung werden verschränkte Photonen verwendet, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen können. Damit können in der Medizintechnik Untersuchungen gewebeschonend und mit höherer Auflösung als mit klassischen Verfahren durchgeführt werden.

Quantencomputer

Im Gegensatz zu klassischen Computern, welche auf den Zuständen 0 und 1 basieren, nutzen Quantencomputer quantenmechanische Zustände (Qubits). Da es sich hierbei nicht nur um diskrete Zustände, sondern auch um Überlagerungszustände handeln kann, ergeben sich ganz neue Anwendungsperspektiven.
Bei speziellen Anwendungen können Quantencomputer im Vergleich zum klassischen Computer Leistungsvorteile bieten. Insbesondere bei der Simulation von Molekülen z.B. für die Forschung in der Chemie, an pharmazeutischen Wirkstoffen oder im Bereich der Materialwissenschaften. Auch für kryptographische Anwendungen bei Sicherheitsbehörden bieten Quantencomputer völlig neue Möglichkeiten.