Quantentechnologien
Zu den Unterkategorien Quantencomputer und Quantenkommunikation
Worum geht es?
Quantentechnologien sind technische Verfahren welche auf den Prinzipien der Quantenphysik beruhen. Die Quantenphysik beschreibt jene Prinzipien der Natur welche nicht durch die klassischen physikalischen Gesetze wie Thermodynamik, Elektromagnetismus oder Newton´schen Gesetze der Bewegungen von Körpern beschrieben werden können. Die physikalischen Phänomene basieren auf dem speziellen Verhalten von den kleinsten Einheiten von Licht, Materie und Energie, welchen als „Quanten“ bezeichnet werden. Diese Einheiten bestehen meist aus einzelnen Atomen, sub-atomaren Teilchen (z.B. Elektron) oder, der kleinsten Einheit von Licht, den Photonen. Dazu gibt es drei wichtige Grundprinzipien:
„Quanten-Superposition oder -Überlagerung“, welche besagt, dass Teilchen gleichzeitig in mehreren Quantenzuständen bzw. an mehreren Orten sein können und erst durch eine Messung ein eindeutiger Zustand bzw. Ort festgelegt wird.
„Quanten-Entanglement oder -Verschränkung“ beschreibt das Phänomen, dass bei zwei bzw. mehreren miteinander verschränkten Teilchen, Messungen an einem Teilchen die Messergebnisse am anderen bzw. den anderen Teilchen instantan beeinflussen – selbst dann, wenn sie sehr weit voneinander entfernt sind. Einstein nannte dieses Phänomen bereits eine „spooky action at a distance“.
„Quanten No-Cloning“ beschreibt das Phänomen, dass ein unbekannter Quantenzustand prinzipiell nicht (fehlerfrei) kopiert werden kann. Die oben beschriebenen physikalischen Prinzipien bilden die Grundlage für vier konkrete Technologiebereiche, welche aktuell bearbeitet werden: (i) Quanten-Kommunikation; (ii) Quanten-Computer; (iii) Quanten-Sensing; und (iv) Quanten-Simulation
Warum ist dieser Trend wichtig?
QKD Quantenkommunikation:
Derzeit existiert eine neue Marktdynamik in Europa wegen der Zielsetzung der strategischen Autonomie Europas im Digitalzeitalter
Neue Möglichkeiten um Datenaustausch und Datenspeicherung abhörsicher zu machen
Neue Möglichkeiten für Komponentenbau im High-Tech Sektor „Electronic based systems“
Quanten-Sensing:
Damit sind neue Sensortechnologien machbar – viel kleiner – viel günstiger
Das österreichische Ökosystem zu diesem Trend
Österreich hat eine international anerkannte führende Rolle im Bereich Wissenschaft und Forschung; Akteure: Uni Wien, Uni Innsbruck, TU Wien, AIT Austrian Institute of Technology
Bezüglich QKD Quantenkommunikation führt Österreich die wichtigsten EU Initiativen zur Technologieentwicklung (durch das AIT)
Derzeit keine Produkt- und Industrie-Aktivitäten in Österreich
Wo finde ich weiterführende Information?
Leopold H., Hübel H., Pacher Ch., Stierle M., Monyk Ch., Quantentechnologien – eine Einführung, AIT Austrian Institute of Technology Report, 3.8.2019.
AIT/BMVIT Studie, Mai 2018:
Quantentechnologie – Möglichkeiten zur stärkeren Industrialisierung
Weiterführende Informationen
Bei der Quanten-Kommunikation ist eine erste Anwendung die Erzeugung und Verteilung von kryptographischen Schlüsseln um die Übertragung von Nachrichten abhörsicher zu verschlüsseln. Diese Technologie wird „Quantenschlüsselverteilung“, bzw. engl. „Quantum Key Distribution, QKD“ bezeichnet. Durch QKD sind wir in der Lage, mathematisch beweisbar sichere Verschlüsselungssysteme zu bauen um die höchste Form der Sicherheit durch Verschlüsselung zu erreichen.
Andere neue Verschlüsselungssysteme (Post Quantum Encryption genannt) beruhen auf komplexen mathematischen Methoden, wo wir nur annehmen können, dass es keine Rechnerleistungen und Methoden gibt oder geben wird, um diese mathematischen Probleme zu lösen.
Bei einem Quanten-Computer werden die Prinzipien Überlagerung und Verschränkung verwendet, um eine sehr große Anzahl an Rechnungen parallel durchführen zu können. Allerdings können nur ganz bestimmte mathematische Berechnungen durchgeführt werden, wie z.B. eine Primfaktorenzerlegung einer großen Zahl. Dadurch kann ein Quantencomputer einen privaten Schlüssel aus einem bekannten öffentlichen Schlüsseln eines asymmetrischen Verschlüsselungssystems sehr viel schneller berechnen als klassische Computer.
Quanten-Simulatoren können als einfache Versionen von Quantencomputern betrachtet werden.
Beim Quanten-Sensing werden die Quantenprinzipien verwendet um sehr schwache, auch auf einzelne Teilchen wirkende Änderungen messbar zu machen. Dadurch können neue Sensortechnologien gebaut werden, welche wesentlich kleinere Bauweisen von Sensoren ermöglichen, aber auch genauere Messvorgänge erlauben. Beispiele dafür sind genauere (Atom-)Uhren, sehr präzise Beschleunigungsmesser, Messen von physikalischen Feldstärken wie Gravitation und Elektromagnetismus.