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Quantenphysik: Die wichtigsten Begriffe kurz erklärt

Teilchen, die 1 und 0 und beides gleichzeitig sein können - und Systeme, die einander aus der Ferne exakt folgen: Die Welt der Quantenphysik ist mehr als rätselhaft. Hier die wichtigsten Begriffe einfach und schnell erklärt.

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Die Quantenphysik beschreibt Effekte, die keine Entsprechung in unserem Alltag haben. Das seltsam anmutende Verhalten von kleinsten Teilchen in einem Quantensystem kann gezielt in sogenannten Quantentechnologien eingesetzt werden.

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Im Folgenden eine Erklärung der wichtigsten Begriffe in diesem Zusammenhang:

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(1) WELLE-TEILCHEN-DUALISMUS:
Objekte der Quantenphysik können je nach Fragestellung verschiedene Grundeigenschaften besitzen. So scheint Licht einerseits aus einzelnen Teilchen (Photonen) zu bestehen, deren Energie sich bestimmen lässt. Andererseits, so zeigen etwa Lichtspaltexperimente, können zwei Lichtstrahlen einander verstärken oder auslöschen. Dies ist nur mit dem Wellencharakter des Lichts zu erklären.

(2) QUANT:
Die kleinste Einheit, um die sich ein Quantensystem ändern kann. Max Planck und Albert Einstein haben zum Beispiel vorhergesagt, dass Licht nur in Paketen auftritt, sogenannten Photonen.

(3) QUANTENSYSTEM:
Jedes System, das Quantenverhalten zeigt. Wie sich Quantensysteme und klassische Systeme unterscheiden, wird rege erforscht.

(4) KOHÄRENZ-DEKOHÄRENZ:
Quantenzustände bzw. -systeme sind gegenüber Umwelteinflüssen, etwa einer Messung, extrem anfällig. Kohärenz bedeutet Ungestörtheit. Interaktion mit einer komplexen Umgebung führt zu Dekohärenz. Daher müssen Quantensysteme möglichst hermetisch abgeschirmt sein.

(5) ÜBERLAGERUNG (SUPERPOSITION):
Eine mit der Alltagserfahrung nicht nachvollziehbare quantenphysikalische Eigenschaft: Demnach kann ein Teilchen einen Schwebezustand zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen, etwa Ein/Aus. Diese Superposition bleibt nur aufrecht, bis jemand (oder etwas) nachsieht; eine Messung beendet die Überlagerung und führt den einen oder anderen Zustand herbei. Das berühmteste Beispiel dafür ist das Gedankenexperiment von "Schrödingers Katze", die sich in einer speziellen Versuchsanordnung in einem Überlagerungszustand von lebend und tot befindet.

(6) VERSCHRÄNKUNG:
Zwei verschränkte Quantensysteme, zum Beispiel zwei Photonen, bleiben über beliebige Distanzen miteinander verbunden. Was immer man mit einem tut, beeinflusst augenblicklich auch den Zustand des anderen. Albert Einstein fand das "spukhaft", die Effekte der Verschränkung wurden aber in unzähligen Experimenten nachgewiesen. Hiermit kann allerdings keine Information mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden.

(7) QUANTENTELEPORTATION:
Mit Hilfe der Verschränkung wird der Quantenzustand eines Systems auf ein anderes übertragen, z.B. die Polarisation (Richtung der Lichtschwingung) eines Photons auf ein anderes.

(8) QUBIT:
Während die grundlegende Informationseinheit des Computers das Bit ist, das exakt zwei Zustände einnehmen kann (0 oder 1), arbeitet der Quantencomputer mit Qubits. Ein aus einem Quantensystem - etwa einem Atom oder Photon - gebildetes Qubit kann nicht nur 0 und 1, sondern auch beide Zustände gleichzeitig annehmen, also eine Superposition.

(9) QUANTENCOMPUTER:
Sollen künftig die quantenphysikalischen Phänomene der Superposition und Verschränkung nutzen, um schneller als konventionelle Computer zu rechnen. Bei bestimmten mathematischen Aufgaben, etwa bei der Zerlegung von Primzahlen oder bei Suchalgorithmen sind sie herkömmlichen Rechnern weit überlegen. Damit der Quantencomputer in diesen Aufgaben tatsächlich existierende Rechner übertreffen kann, werden sehr viele Qubits miteinander verschränkt werden müssen.

(10) QUANTENKOMMUNIKATION:
Damit wird eine Informationsübertragung bezeichnet, die Phänomene der Quantenphysik wie zum Beispiel Superposition oder Verschränkung nutzt.

(11) QUANTENSIMULATOR:
Mit Hilfe eines kontrollierbaren Quantensystems lassen sich andere Quantensysteme nachahmen und untersuchen, die man in einem Experiment nicht analysieren kann und die zu komplex sind, um sie mit klassischen Computern zu simulieren. Verwendet werden dafür Quantensysteme, die auch in Quantencomputern zum Einsatz kommen könnten.

(12) QUANTENKRYPTOGRAPHIE:
Damit wird die Verschlüsselung von Daten mittels quantenphysikalischen Phänomenen bezeichnet. So können etwa mit der Quanten-Schlüssel-Verteilung symmetrisch identische zufallsbasierte Schlüssel zwischen zwei Gesprächspartnern erstellt werden. Das bietet erwiesenermaßen potenziell 100-prozentige Abhörsicherheit. Jede Störung verändert nach den Gesetzen der Quantenphysik nachweisbar die Informationsübertragung. So könnten etwa einmal autonome Fahrzeuge oder Stromnetze nicht manipuliert oder fremdgesteuert werden.

(13) QUANTENINTERNET:
Braucht man, um Quanteninformation mittels Licht von einem (Quanten-)Computer zum nächsten übertragen zu können. Weil die Gesetze der Quantenphysik nicht zulassen, Quanteninformation einfach zu kopieren, werden besondere Schnittstellen benötigt. Im Quanteninternet sind die Knoten durch Verschränkung miteinander verbunden.

(14) QUANTENSENSORIK:
Die hohe Empfindlichkeit von Quantenzuständen gegenüber Umwelteinflüssen bedeutet gleichzeitig auch eine hohe Messempfindlichkeit. Mit speziell konstruierten Quantensystemen lassen sich daher physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Position, Zeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung, elektrische und magnetische Felder oder Gravitation extrem präzise messen.

(APA)

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