Gastkommentar

Gerhard Murer © Anton Paar
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Dossier

"Die neuen Quantentechnologien"

Gastkommentar

29.11.2018
  • Wien (Gastkommentar) - Alles in uns und um uns herum wird von der Quantenwelt regiert. Dass es stabile Atome gibt, aus denen wir und die Welt aufgebaut sind, die Sonne leuchtet, die geliebten Handys und das Internet existieren sowie MRT-Bilder aus unserem Körper und hochwirksame Medikamente, alles das und mehr basiert auf Quanteneffekten. Nun werden neue Quantentechnologien entwickelt, die in wenigen Jahren unseren Alltag verändern könnten.

  • Im 19. Jahrhundert zeigten sich erste Hinweise auf ein Verhalten der Materie, das mit klassischem Wissen nicht erklärbar war: Der Optiker Josef Fraunhofer fand 1814 im Sonnenspektrum scharfe Linien, die heute als Fraunhofer-Linien bekannt sind. Die Chemiker Bunsen und Kirchhoff untersuchten um 1860 das Spektrum des Lichts, das beim Einbringen verschiedener Stoffe in eine Gasflamme entsteht. Sie beobachteten Spektrallinien, die sie einzelnen chemischen Elementen zuordnen konnten. Damit war die Spektroskopie geboren, eine bis heute bedeutsame analytische Methode, die auf Quantenverhalten basiert.

  • Während Chemiker des 19. Jahrhunderts die Existenz von Atomen und Molekülen als Tatsache ansahen, war dies unter Physikern umstritten. Bekannt für den Streit zwischen Anhängern der Kontinuums- und der Atomtheorie der Materie ist die Mach-Boltzmann-Debatte, die von den beiden Österreichern mit hoher intellektueller Schärfe geführt wurde. Ernst Mach hat Fragen zur Atomtheorie gerne mit "Ham's schon mal eins g'sehn?" abgeschmettert. Heutzutage wäre dies unangebracht, denn inzwischen kennen wir einige Methoden, um Atome zu "sehen", beispielsweise das Rasterkraftmikroskop AFM.

  • Spätestens mit Arbeiten von Albert Einstein aus 1905 war die Debatte entschieden, Atome und Moleküle wurden auch unter Physikern zur anerkannten Tatsache und sie begannen, die Quantenwelt zu erforschen. 1927 war die sogenannte Quantenmechanik so weit entwickelt, dass man damit etwa die oben genannten Spektrallinien fundiert erklären konnte. Später kamen weitere Theorien und Erkenntnisse dazu, die wir unter den Begriffen Quantenphysik und Quantenchemie summieren.

  • Neue Quantentechnologien

  • In den letzten Jahrzehnten wurden neue Quantentechnologien entwickelt, die nun zu ersten Produkten führen. Was ist neu an diesen Quantentechnologien? Bisherige Quantentechnologien wie etwa der Transistor oder die Atombombe beruhten auf der kollektiven Wirkung extrem vieler Quantenobjekte. Mit den neuen Quantentechnologien gelingt es hingegen, einzelne oder wenige Quantenobjekte, also Atome, Ionen, Moleküle, Elektronen oder Photonen zu manipulieren. Dabei kommen die folgenden Quanteneffekte zur Anwendung: Superposition, Verschränkung und Interferenz.

  • Superposition bedeutet vereinfacht, dass Quantenobjekte mehrere Eigenschaften gleichzeitig haben können. Ein normaler Lichtschalter etwa kann nur entweder ein- oder ausgeschaltet sein (oder er wird heiß und verbrennt). Ein Quantenschalter hingegen kann in eine Superposition gebracht werden, dann ist er gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Solche Quantenschalter werden Qubits genannt und sind im Quantencomputer eingesetzt.

  • Als Beispiel für Verschränkung kann man zwei Quantenschalter nicht nur jeweils in die oben beschriebene Superposition bringen, sondern auch noch verschränken, also korrelieren. Wird irgendwann der eine Quantenschalter etwa in die Stellung Aus gebracht, so springt auch der andere Quantenschalter ohne Zeitverzögerung auf Aus, egal wie weit entfernt er ist. Das hat Erwin Schrödinger schon 1927 erkannt, wie man aus seinen Notizbüchern weiß. Der Effekt wurde 1936 von Albert Einstein et al. erstmals publiziert und von ihm als "spukhafte Fernwirkung" abgelehnt.

  • Mit der Interferenz kommen schließlich die Welleneigenschaften von Quantenobjekten besonders zur Geltung. Moderne Quantenfeldtheorien gehen sogar so weit, überhaupt keine Teilchen mehr zu kennen, sondern nur noch Schwingungen omnipräsenter Quantenfelder, die wir dann als Teilchen interpretieren. Jedenfalls können Quantenobjekte mit sich selbst oder anderen interferieren. Damit verstärken sich bestimmte Eigenschaften, andere werden ausgelöscht, so wie sich auch interferierende Wasserwellen gegenseitig verstärken oder auslöschen.

  • Was wird nun aus diesen neuen Quantentechnologien? Erste Produkte gibt es bereits: Ein Zufallszahlengenerator, der auf dem absoluten Zufall von Quanteneffekten basiert, ist für die Forschung wichtig. Für die Nachrichtenübertragung gibt es Produkte, die eine abhörsichere Übertragung von kryptografischen Schlüsseln und geheimen Nachrichten ermöglichen. Diese auf der Verschränkung von Photonen basierenden Produkte werden in Zukunft steigende Bedeutung erlangen.

  • Quantencomputer

  • Viele Forschungsgruppen weltweit arbeiten am Quantencomputer, neueste Entwicklungen sind bei einer Registerbreite von ca. 50 Qubits angelangt. Hier liegt auch die Grenze, ab der Quantencomputer leistungsfähiger als klassische Computer werden sollen. Damit wird es möglich, bestimmte Algorithmen, die mit heutigen Computern Jahrzehnte oder länger dauern würden, in wenigen Stunden abzuarbeiten. Dafür nützen sie vorwiegend die drei oben genannten Quanteneffekte.

  • Das oft propagierte Codebrechen, also die Ermittlung der Schlüssel zur Nachrichtenverschlüsselung, ist eine eher fragwürdige Anwendung. Viel wichtiger werden Anwendungen bei Optimierungsrechnungen, der künstlichen Intelligenz sowie der Simulation von Quantensystemen sein. Hierbei muss man heute oft mit suboptimalen Näherungslösungen leben, weil bessere Lösungen auch mit Supercomputern nicht in vernünftiger Zeit gefunden werden können. Ein Beispiel: Die Entwicklung neuer Medikamente beruht meist auf umfangreichen quantenchemischen Rechnungen, die derzeit oft nur mit groben Näherungen möglich sind. Wir dürfen erwarten, dass der Einsatz von Quantencomputern zu besseren Medikamenten führt.

  • Quantenmess- und Analysentechnik

  • Hersteller von Instrumenten zur Analyse und Charakterisierung von Stoffen wie Anton Paar sind seit Jahrzehnten Nutzer von Quanteneffekten. Infrarotspektrometer beruhen etwa darauf, dass die mechanischen Eigenschwingungen von Molekülen quantisiert sind und daher bei genau definierten Wellenlängen Photonen absorbieren. Man kann damit beispielsweise die Struktur von Molekülen aufklären oder ihre Konzentration in Messproben bestimmen. Um die hohe Absorption von Infrarotlicht beim Durchstrahlen der Proben zu umgehen, verwendet man das Verfahren der abgeschwächten Totalreflexion. Hier kommt der quantenmechanische Tunneleffekt zur Anwendung, um Photonen mit der Messprobe in Kontakt zu bringen.

  • Betreibt man Spektrometrie im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts, im Ultravioletten oder im Röntgenbereich, erhält man Information über die in der Probe vorhandenen Atome. Photonen dieser Spektralbereiche werden in den Elektronenschalen der Atome absorbiert, und zwar bei scharf definierten Wellenlängen, wodurch die Identifikation und Quantifizierung der in der Messprobe enthaltenen Atome möglich wird.

  • Doch kann man Röntgenlicht oder Laserlicht auch anders anwenden, nämlich nach dem Prinzip der Streumethoden. Aus der Verteilung der von der Probe gestreuten Photonen erhalten wir Information über geometrische Proportionen von Proben, etwa Nanostrukturierung, Partikelgrößen, Kristallinität und mehr. Mit monochromatischem Laserlicht stellt man auch fest, dass nicht alle gestreuten Photonen die gleiche Frequenz wie das eingestrahlte Licht haben. Mit diesem von Adolf Smekal 1923 vorausgesagten Raman-Effekt verwendet man die Frequenzveränderung der gestreuten Photonen dazu, in der Probe enthaltene Moleküle zu identifizieren und zu quantifizieren.

  • Welche Perspektiven bieten die neuen Quantentechnologien für den Instrumentenhersteller? Dazu nur ein Beispiel: Das anfangs erwähnte AFM ist in der Lage, auf Oberflächen sogar einzelne Atome abzubilden. Mit der Raman Spektroskopie kombiniert, kann man auch chemische Information über die abgetastete Oberfläche gewinnen, allerdings nur über große Oberflächenbereiche gemittelt. Mit dem spitzenverstärkten Raman Verfahren ist man in der Lage, über wesentlich kleinere Oberflächenbereiche zu mitteln, aber nicht mit einer lateralen Auflösung im unteren Nanometerbereich. Nun ist es gut denkbar, dass man künftig das AFM mit neuen Quantensensoren ausstattet, um es auch zur spektroskopischen Untersuchung einzelner Atomgruppen oder sogar von Atomen einsetzen zu können.

  • Resümee

  • Die neuen Quantentechnologien bieten spannende Möglichkeiten für neue Anwendungen. Die nächsten Jahre werden zeigen, wie weit sie sich auch in innovative Lösungen und Produkte umsetzen lassen.

Zur Person

Gerhard Murer, Chief Scientist der Anton Paar GmbH

Gerhard Murer ist Chief Scientist bei der Anton Paar GmbH in Graz. Er hat an der TU Graz Elektrotechnik studiert und ist seit knapp 35 Jahren im Unternehmen. Seine Arbeitsschwerpunkte sind Methoden und Sensoren für die Analyse und Charakterisierung von Stoffen. Er ist Mitglied des wissenschaftlichen Senats der Christian Doppler Gesellschaft, des Scientific Boards von NAWI Graz und Sprecher des Forums Technik und Gesellschaft an der TU Graz. Anton Paar ist ein österreichischer Hersteller von Instrumenten für die chemische Analyse und Materialcharakterisierung. Knapp 1400 Mitarbeiter arbeiten im Raum Graz, weitere etwa 1800 in 35 Tochterunternehmen weltweit. Das Mutterunternehmen Anton Paar GmbH investiert jährlich etwa 20% des Firmenumsatzes in Forschung und Entwicklung.

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