Tutorial: Ist Quanten-Physik nützlich?

Maschinen sind physikalische Systeme, welche physikalische Gesetze ausnutzen zur Generierung bestimmter gewünschter Funktionen. Dies gilt zum Beispiel für einfache Werkzeuge wie für hochentwickelte Motoren oder für Computer.
Die zu Grunde liegenden physikalischen Gesetztmäßigkeiten sind typischerweise ``klassisch'': Wir nutzen die Newtonschen Kraftgesetze in unterschiedlichsten Varianten, die Maxwellschen Grundgleichungen der Elektrodynamik, Gesetze der Hydrodynamik etc.
Unter dieser ``klassischen Oberfläche'' liegt aber, der unmittelbaren Erfahrung verschlossen, eine tiefere quantenmechanische Struktur. Ein wesentliches Kennzeichen dieser Struktur ist das ``Superpositionsprinzip''. Dieses Prinzip hat unter anderem zur Folge, dass -- anders als in klassischen Systemen -- nicht alle Observable gleichzeitig scharfe Werte annehmen können. Bei zusammengesetzten Systemen kann dies zu ganz ungewöhnlichen, sogenannten ``verschränkten'' Zuständen führen: Es sind dann z.B. Korrelationen zwischen lokalen Eigenschaften scharf definiert, die dazugehörigen lokalen Eigenschaften aber völlig unscharf!
Aufbauend auf den bahnbrechenden Entdeckungen von Heisenberg, Schrödinger, Bohr und vielen anderen hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass die klassischen Gesetze in einem gewissen Sinn (oftmals sehr gute) Näherungen an die ganz anderen ``Spielregeln'' der Quantenwelt darstellen. Ein Teilgebiet der theoretischen Quantenphysik bemüht sich zu erklären, wie es eigentlich zu einer solchen ``Emergenz'' des Klassischen kommt, ein noch immer schwieriges und nicht vollständig gelöstes Problem.
Mit dem Beginn des neuen Jahrhunderts beginnt nun das dazu inverse Problem in den Vordergrund zu treten: Kann man das ``Verschwinden'' der quantentypischen Eigenschaften -- in einem geeignet gewählten Ausschnitt der betrachteten physikalischen Welt -- unterdrücken? Dies scheint einem Versuch gleichzukommen, ``gegen den Trend'' zu laufen, vergleichbar vielleicht dem Aufbau von Ordnung und Struktur in einem Teilsystem gegen den Trend des 2.Hauptsatzes der Thermodynamik für das (abgeschlossene) Gesamtsystem. Wir wissen, dass letzteres ständig gelingt; Beispiele sind Phasenübergänge in der Physik, Kühlmaschinen und, nicht zuletzt, biologische Systeme.
Dieses inverse Problem ist wesentlich ein Kontrollproblem. Dessen Lösung hätte, anders als die Lösung der Ausgangsfrage (``wie entsteht das Klassische aus der Quantenmechanik?''), das Potential technischer Anwendungen: Man könnte versuchen, die Gesetze der Quantenmechanik direkt für neuartige Maschinen zu verwenden. Dabei sollte klar sein, dass jedes System unserer makroskopischen Umwelt intern ständig beliebig komplizierte nicht-klassische Zustände durchlaufen wird; unsere Kenntnis darüber und unsere Zugriffsmöglichkeiten sind aber in der Regel viel zu beschränkt, um dies wahrnehmen oder gar nutzen zu können.
In welchem Bereich wird man Anwendungen erwarten? Zwar ist es nicht so, dass ``große '' Systeme notwendigerweise klassisch, kleine notwendigerweise quantenmechanisch beschrieben werden müssen, aber als eine pragmatische Leitlinie lässt sich diese Unterteilung schon nutzen. So wird man nicht an einen Quanten-Dieselmotor denken, sondern eher an Quanten-Sensorik und insbesondere an Quanten-Informationsverarbeitung.
Klassische Informationsverarbeitung beruht auf klassischer Physik. Ein logisches UND, z.B., wird uns schon manchmal in einem Hotelzimmer begegnet sein, wenn eine Stehlampe über die Steckdose an und ausgeschaltet werden kann, zusätzlich aber über einen Schnurschalter: Die Lampe brennt nur, wenn beide Schalter geschlossen sind. Die physikalischen Gesetze des elektrischen Transports implementieren eine logische Grundstruktur unseres Denkens. Andere, einfache Schaltkreise ließen sich sofort für das logische ODER und andere Elemente dieser sogenannten Boole'schen Algebra angeben. Man mag darüber spekulieren, ob sich unser rationales Denken ganz anders entwickelt hätte, gäbe es in der Natur keine letztlich einfachen Darstellungen dieser logischen Gesetze.
Quanten-Informationsverarbeitung beruht auf der Quanten-Physik. Insofern die Quanten-Physik das klassische Verhalten in einem gewissen Grenzfall enthält, kann also ein Quantensystem mindestens das gleiche wie ein klassisches System. Unter geeigneten Umständen kann es aber auch noch mehr. Im Bereich ``kleiner Systeme'' (einzelne Photonen, freie Elektronen oder Atome) lässt sich dies z.B. in Form der bekannten Interferenzmuster hinter einem Doppelspalt demonstrieren. Dieses Verhalten ist oftmals auch ``nützlich'', etwa in der Präzisionsmesstechnik. Selbst makroskopische Systeme können durch explizit quantenmechanisches Verhalten charakterisiert sein, wie etwa die Beispiele Supraleitung oder Bose-Einstein-Kondensation zeigen. Zwar sind auch diese Eigenschaften (makroskopisch) nützlich, doch bleibt deren steuerbares Verhaltensrepertoire sehr begrenzt.
Eine fundamentale Frage der gegenwärtigen Grundlagenforschung besteht also darin, ob die externen Kontrollmöglichkeiten (durch die letztlich wieder klassische Umgebung) ausreichen können, um auch große Quanten-Systeme (und Quanten-Computer wären notwendigerweise bereits wieder komplexe Quantennetzwerke, nicht einzelne Atome oder Elektronen) in deren vollen nicht-klassischen Zustands-Raum gezielt arbeiten zu lassen. Dies ist das notorische ``Skalierungsproblem'': Während die dynamische Quantenkontrolle im Kleinen zunehmend gelingt, allerdings bei rasch wachsendem experimentellen Aufwand, ist gegenwärtig nicht klar, wo hier die Grenzen liegen werden. Eine Klärung dieser Fragen von theoretischer und vor allem experimenteller Seite ist auch deshalb so drängend, weil die ``natürliche'' Weiterentwicklung unserer heutigen Elektronik immer mehr in den Bereich der nanoskopischen Dimensionen vordringt, einem Bereich also, in dem eine ``klassische Beschreibung'' zunehmend inadäquat wird.
Darüber hinaus hat aber die Entwicklung einiger spezieller Quanten-Algorithmen in letzter Zeit für sehr viel Aufsehen gesorgt, da sie, implementiert auf einem realen Quanten-Netzwerk (also nicht nur simuliert auf einem klassischen Rechner) Lösungen in (im Extremfall exponentiell) weniger Rechenschritten produzieren könnten, als dies auf einem beliebigen klassischen Rechner möglich wäre. Solche Rechner wären also schneller nicht durch eine höhere Taktfrequenz, sondern durch eine effizientere Organisation des konkreten Rechenprozesses (``Quanten-Parallelismus''). Derartige Effizienzsteigerungen gelten aber nur für solche speziell entwickelten Algorithmen und sind nicht eine generelle Eigenschaft von Quanten-Rechnern.
Eine Weiterentwicklung von Quanten-Kontroll-Konzepten dürfte aber auch außerhalb des eigentlichen Quanten-Computing von großem Interesse sein. Mögliche Anwendungen betreffen ultrapräzise Mess-Verfahren, die Weiterentwicklung von Atom-Uhren, die Ausnützung von Quanten-Eigenschaften in der Kommunikation.