“Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it.”
Quantenphysik ist das, was ich eine „existentielle Wissenschaft“ nenne. Eine Wissenschaft, die uns in direkten Kontakt mit der Fremdheit und Größe des Universums bringt.
Sie ist auch eine „nützliche Wissenschaft“. Sie verspricht Technologien, die Branchen im Milliarden- oder Billionenbereich schaffen werden.
Aber natürlich ist es eine missverstandene Wissenschaft. Weniger als ein Hundertstel Prozent der Menschen kann erklären, was Quanten wirklich sind oder wohin es geht. Das Ziel dieses Kurses ist, dich zu einem von denen zu machen, die es können.
Was „Quanten“ bedeutet
Quanten bedeutet „in Teilen“. Als Wissenschaftler:innen begannen, mit winzigen Dingen wie Elektronen und Photonen zu arbeiten, beobachteten sie unintuitive Verhaltensweisen, die sie „Quanten“-Verhaltensweisen nannten. Diese Verhaltensweisen passten nicht in das bisherige Weltmodell.
Unser altes Modell besagt etwa, dass Objekte wohldefinierte Eigenschaften wie eine Position haben und wir diese Position jederzeit messen können. Wir stellten jedoch fest, dass Elektronen sich nicht so verhalten. Sie verhalten sich, als hätten sie gar keinen festen Ort. Sie können weitreichende Effekte haben, die belegen, dass sie sich eher wie eine Wolke als ein Teilchen verhalten. Wissenschaftler prägten dafür den Begriff Superposition, weil das Konzept über eine „Position“ hinausgeht.
In den nächsten 50 Jahren bauten Wissenschaftler:innen diese Beobachtungen in ein völlig neues Modell des Universums ein. Dieses Modell ist eigentlich nachsichtiger, sodass es Dinge zulässt, die wir für unmöglich hielten. Etwa, dass Elektronen und Photonen nicht zwingend einen definierten Ort, eine Orientierung oder Geschwindigkeit haben müssen.
Dieses neue Modell erwies sich als deutlich genauer als das alte.
Quanten haben die Physik seitdem dominiert. Auf der größten Physikkonferenz der Welt, dem APS Global Physics Summit 2025, hatten über 75 % der Aussteller einen Bezug zu Quanten.
Was Quanten ermöglicht
Jetzt tragen 100 Jahre Fortschritt in der Quantenmechanik Früchte. Neue Quantentechnologien erreichen den Markt und sprengen viele Annahmen, die wir über die Welt hatten. Hier sind einige Beispiele.
Bessere Diagnostik
Wir nahmen an, es gäbe eine Grenze für das kleinste Objekt, das wir mit normalem Licht sehen können. Ernst Abbe nannte dies die Beugungsgrenze. Um Kleineres zu sehen, mussten wir Elektronenmikroskope erfinden, und selbst diese haben eigene Grenzen.
Es wurden neue Quantenmikroskope entwickelt, die das Beugungslimit überwinden können. Sie nutzen Quanteneigenschaften des Lichts, um extrem kleine Objekte sichtbar zu machen, so klein wie Viren.
Schnellere Computer
Wir gingen davon aus, dass es bestimmte Probleme gibt, die Computer niemals lösen können. Zwei davon sind:
- Das Knacken von 2048-Bit-„RSA“-Passwörtern, die im gesamten Internet verwendet werden.
- Die Vorhersage molekularer Eigenschaften, die es uns erlauben würde, ganz neue Klassen von Medikamenten zu entwickeln.
Doch nun wissen wir, dass beides möglich ist. Natürlich ist das Knacken von Passwörtern kein gutes Ergebnis für die Welt. Deshalb müssen wir mit diesen Technologien sehr sorgfältig und gut informiert umgehen.
Sichere Kommunikation
Wir gingen davon aus, dass es beim Versenden von Informationen über das Internet keine Möglichkeit gibt, sicherzustellen, dass niemand sie heimlich kopiert hat.
Doch nun wissen wir, dass die Quantenphysik die weltweit ersten abhörsicheren Kommunikationen ermöglicht.
Drei grundlegende Konzepte
Quanten haben nur drei grundlegende Konzepte:
- Messung
- Superposition
- Verschränkung
In den folgenden Anleitungen erfahren Sie jedes dieser fundamentalen Konzepte im Detail.