Feiern Sie mit uns den World Quantum Day
In unserem Expertenkreis am 22. April 2024 (online) befassen wir uns mit den Möglichkeiten, die die Photonik für die Entwicklung der heutigen Quantentechnologien bietet.
Darüber hinaus freuen wir uns, die aktuellen Anwendungen der Quantentechnologien und Photonik auf zwei kommenden Cross-Clustering-Veranstaltungen zu präsentieren: Zum einen im Sommer mit Anwendern aus der Medizintechnik, sowie am 6. November 2024 mit Anwendern aus der Bio- und Umwelttechnik.
Dass wir heute einzelne Quantensysteme so weit kontrollieren können, dass ihre Eigenschaften technologisch nutzbar werden, ist ein Resultat der letzten 125 Jahre Forschungsgeschichte. Das Datum des „14.4.“ für den World Quantum Day wurde nach seiner numerischen Ähnlichkeit zu den ersten drei Stellen des Plank‘schen Wirkungsquantums auserkoren.
Vor mittlerweile 125 Jahren gelang dem deutschen Physiker Max Planck ein Gedankensprung, der unsere Vorstellung der Realität nachhaltig verändern sollte. Ursprünglich wollte er herleiten, wieso beispielsweise Eisen beim Schmieden erst rotes und bei noch höheren Temperaturen weißes Licht abstrahlt. Dazu musste er annehmen, dass die Energie der „schwingenden Bestandteile“ des Strahlers nicht alle beliebige Werte annehmen konnte, sondern dass die Schwingungen nur in bestimmten diskreten Energie-„Stufen“ vorkommen durfte. (Max Planck: Über irreversible Strahlungsvorgänge. Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin. 1899 - Erster Halbband (Verl. d. Kgl. Akad. d. Wiss., Berlin 1899). Seite 440–480)
Was zunächst wie ein mathematischer Trick anmuten mochte, wurde fünf Jahre später von Albert Einstein benutzt, um die Quantisierung des Lichtes zu postulieren. Damit ließ sich der photoelektrische Effekt erklären, bei dem nur Strahlung ab einer bestimmten Frequenz (und nicht Intensität) Elektronen aus einem Metall lösen kann. (Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148)
Nach einem Experiment von Ernest Rutherford wurde deutlich, dass Atome wohl aus einem winzigen positiven Kern bestanden, umgeben von noch kleineren Elektronen. (E. Rutherford, The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom, Philosophical Magazine. Series 6, 21 (May 1911) p. 669–688)
Auch hier musste (diesmal Nils Bohr) annehmen, dass die Elektronen-Bahnen um den Kern nur mit bestimmten Energie-Abständen vorkommen konnten, um die diskreten Absorptionslinien im Spektrum metallischer Dämpfe zu erklären. (Niels Bohr: The spectra of helium and hydrogen. In: Nature. 92. Jahrgang, 1914, S. 231–232, doi:10.1038/092231d0.)
Damit war die Beweislage klar: die klassische Mechanik und Elektrodynamik konnten den mikroskopischen Aufbau unserer Welt niemals hinreichend erklären, es brauchte eine Mechanik der Quanten, um die diskret auftretenden Energien in Atomen und Licht zu erklären. Planck verstarb 1947, seine Entdeckung des Wirkungsquantums um 1900 führte schließlich zur Entwicklung des Masers (J. P. Gordon, H. J. Zeiger, C. H. Townes: Molecular Microwave Oscillator and New Hyperfine Structure in the Microwave Spectrum of NH3. In: Physical Review. Band 95, Nr. 1, 1. Juli 1954, S. 282–284, doi:10.1103/PhysRev.95.282.) und Lasers (T. H. Maiman: Stimulated Optical Radiation in Ruby. In: Nature. 187, 4736, 1960, S. 493–494.).
Die Elektronik und Photonik hat unseren Alltag seitdem umfassend verändert. Von der ersten Vakuum-Diode zur ersten integrierten Schaltung (Jack S. Kilby: Invention of the integrated circuit. In: IEEE Transactions on Electron Devices. Band 23, Nr. 7, 1976, S. 648–654.) dauerte es ähnlich lange. Dieses Jahr, also nochmal 66 Jahre später, wurden einzelne Chips mit 208 Milliarden Transistoren vorgestellt, untergebracht auf weniger als einer Handfläche. Transistoren auf inzwischen unter fünf Nano-Meter zu schrumpfen wäre ohne die quantenmechanische Beschreibung der Bandstruktur von Halbleitern ebenfalls nicht möglich gewesen. Das, was wir heute als klassisches Computing bezeichnen, hat demnach einen enormen Vorsprung, mit dem sich die heute in Entwicklung befindenden Quantencomputer erst einmal messen müssen.
125 Jahre nach der theoretischen Überlegung zum Wirkungsquantum wurde dieses Jahr angekündigt, nun verlässlich, auf sogenannten „logischen“ Qubits, rechnen zu können.
Einzelne „physische“ Qubits müssen bereits extrem aufwändig vor Störeinflüssen der Umwelt geschützt werden: jede Schwankung durch Temperatur, Strahlung, Vibration etc. sorgt in Quantensystemen für die sogenannte Dekohärenz. Dabei werden die kontrollierten Effekte der Superposition und Verschränkung, sowie der reine Quantenzustand selbst, so weit durchmischt, dass eine laufende Rechnung nur noch wertlose Zufallszahlen liefert. Um das zu vermeiden, werden nun die einzelnen physischen Qubits erfolgreich in komplexeren Schaltungen und Algorithmen integriert, die möglichst viel der empfindlichen Quanteninformation bewahren. In den logischen Qubits werden z.B. Quantenzustände genutzt, die weniger anfällig sind und dafür aus mehreren physischen Qubits bestehen, oder es werden zusätzlich physische Hilfs-Qubits benutzt anhand derer bestimmt wird, ob Dekohärenz während der laufenden Rechnung stattgefunden hat und man dementsprechend korrigieren kann. (Bluvstein, D., Evered, S.J., Geim, A.A. et al. Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays. Nature 626, 58–65 (2024). doi.org/10.1038/s41586-023-06927-3)
Betrachtet man die Zeitspannen von der Entdeckung der Atome und ihrer Mechanik zu ihrer technischen Nutzbarkeit, dann sind die kommenden fünf Jahre Entwicklungszeit vergleichsweise kurz. In der Quantensensorik sind heute schon messbare Fortschritte gegenüber klassischen Sensoren möglich. Diskutieren Sie gemeinsam mit uns die Möglichkeiten, welche die Photonik hier bietet: In unserem kommenden Online-Treffen der AG Quantentechnologien am 22. April 2024, sowie bei den Cross-Cluster Veranstaltungen direkt mit den Anwendern. Wir freuen uns auf Sie!