Förderung und Anwendung von Quantentechnologien
Der Spin - Schlüssel zu den Schatzkammern der Quantenmechanik

Gert Denninger bei einem Experiment zur Quantenmechanik, auch Quantenphysik genannt. Diese kann als eine Abgrenzung zur klassischen Physik verstanden werden. Sie befasst sich mit dem Verhalten von kleinsten Teilchen und deren Wechselwirkungen.

Tobias Weiß

Der Spin ist eine intrinsische quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen. Zum Verständnis kann man sich den Spin als Eigendrehimpuls von Elementarteilchen wie Elektronen oder Protonen vorstellen. Dabei spielt die Wirkung eine ganz elementare Rolle. Spins sind zudem sowohl in ihrer Größe als auch in ihrer Richtung quantisiert. Konkret heißt das, dass die Größe und die Richtung eines Spins nur bestimmte Werte annehmen kann. Dabei sind genau zwei Richtungen messbar: Spin up und Spin down.

In seinem Vortrag wies Prof. Gert Denninger von der Uni Stuttgart noch auf eine wichtige Anwendung hin, die auf den Eigenschaften von Spins beruht: Die Magnetresonanztomografie macht sich die Ausrichtung von Spins und die damit verbundene individuelle Relaxationszeit in unterschiedlichen Geweben zur medizinischen Bildgebung zu Nutze. Die Relaxation beschreibt die Vorgänge, die ablaufen, wenn ein Spin vom angeregten Zustand in den stabilen Ausgangszustand zurückgehrt. Unterschiedliche Gewebearten besitzen verschiedenen Relaxationszeiten. Dies stellt die Grundlage des Bildkontrastes in der Magnetresonanztomographie dar. 

Ein Kristall aus ionisierten Atomen, der in einer Ionenfalle gefangen und lasergekühlt wird.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Die Grundlage von nahezu allem ist der Spin, von der Atomstruktur über Magnete bis hin zur Anwendung bei Magnetresonanztomographen. Ohne ihn gäbe es wahrscheinlich unser Universum wie wir es kennen nicht.

Ein IBM 5-Qubit-Prozessor

IBM Research

Mit Qubits zu mehr Rechenleistung

Eine ganz konkrete Anwendung von Quantentechnologien stellte Dr. Wolfgang Maier als Director of Hardware Development bei IBM in seinem Vortrag „IBM Q – Quantum Computing“ vor. Während in klassischen Computern die kleinste Informationseinheit durch die Zustände 1 oder 0 realisiert wird, nutzt ein Quantencomputer quantenmechanische Instanzen, die als Qubits bezeichnet werden. Qubits können weitaus mehr Zustände realisieren, sind jedoch auch weitaus komplizierter und können nicht einfach gemessen werden. Sie müssen durch eine große Anzahl von Messungen und über die Analyse der statistischen Verteilung ermittelt werden. Zum wirklichen Rechnen mit Qubits müssen zudem auch spezielle Rechenoperationen eingeführt werden. Das Prinzip von Quantencomputern kann deshalb nicht mit der Funktionsweise und Architektur herkömmlicher Computer verglichen werden. Deshalb werden diese wahrscheinlich unsere heutigen Computer auch nicht in allen Bereichen ersetzen können, aber vor allem bei rechenaufwändigen Problemen wie Optimierungs- oder Modellierungsaufgaben Anwendung finden. Wegen den Schwierigkeiten bei der Realisierung ungestörter, stabiler Zustände und des damit verbundenen großen Aufwands müssen bis zur marktreifen Produkteinführung noch einige Hürden überwunden werden. Jedoch bietet diese neue Art von Computern enorme Möglichkeiten und Chancen für die Zukunft.

Tanja E. Mehlstäubler von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, die sich anhand der Quantenmechanik mit hochgenauen Messungen (z.B. Zeitmessung) beschäftigt.

Tobias Weiß

Neue Wege zur Zeitmessung

Eine weitere Anwendung stellen Quantenuhren und Quantensensoren dar. Jahrhundertelang nutzte man astronomische Zeitskalen zur Bestimmung der Zeit. Jedoch ist diese Art von Zeitmessung zu ungenau. Fortschritte im Bereich der Quantentechnologie führten deshalb zur Einführung der Atomuhren. Die Frequenz ist zum heutigen Stand der Forschung die am präzisesten messbare physikalische Maßeinheit und wird deshalb zur Zeiterfassung verwendet. Der grundsätzliche Aufbau dieser Systeme besteht aus einem Lokaloszillator als Kurzzeitreferenz und einer atomaren Referenz als Langzeitreferenz. Diese werden mit einem Frequenzteiler gemessen, erklärte Dr. Tanja E. Mehlstäubler von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, dem weltweit ältesten nationalen Metrologieinstitut. Dazu werden Atome durch Laser extrem schnell abgebremst und dadurch abgekühlt. Der immense Vorteil von quantentechnologischen Messsystemen ist, dass diese auf Naturkonstanten beruhen. Systematische Fehler können zwar durch äußere magnetische und elektrische Felder oder Zeitdilatation auftreten, sind aber sehr klein und gut kontrollierbar.

Durch die intensive Grundlagenforschung konnte viel Wissen über Quantenphysik erlangt werden. Auch im Bereich der Anwendung von Quantentechnologien konnten große Fortschritte erzielt werden. Trotzdem gibt es noch viele Fragen und Problemstellungen, die in Zukunft noch beantwortet und gelöst werden müssen, bevor viele Technologien zur Markteinführung gelangen.

Autorin: Esther Räth