Welches die neue Quantenwelt verspricht


Sie sollen dies Informations-Zeitalter hinaus ein neues Level Hebung: Qubits. Die winzigen Einheiten sind dies Pumpe von Quantencomputern und zusammen vielseitig anwendbar. Neben… in Deutschland tüftelt man an welcher neuen Technologie. Die Möglichkeiten scheinen vielversprechend.

Die verkettete verkettete Liste welcher erhofften Wunder ist weit: Ein Sensor, welcher Grundwasser vom Umlaufbahn aus aufspürt. Eine Kappe, die Gedanken liest. Ein , welcher eine Kapitulation intrinsisch Minuten löst, zum Besten von die selbst die größten Superrechner Jahrzehnte bräuchten. Dies welches nebensächlich immer soll künftig dank welcher Quantentechnologie möglich werden. Sie hat dies Zeug dazu, den Alltagstrott umzuwälzen, da sind sich Experten einig.

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Dies menschliche Vorstellungsvermögen gerät schnell an seine Säumen, wenn es um Effekte aus welcher Quantenphysik geht. Und doch: Physiker können in ihren Labors einzelne Atome, Elektronen oder Lichtteilchen so präzise kontrollieren, dass darauf superschnelle Rechner, extrem präzise Sensoren und sichere Kommunikationswege aufgebaut werden können.

Dies ehrgeizigste Ziel ist welcher Quantencomputer. Er soll welches nebensächlich immer können, welches ein normaler Rechner kann – nur sehr viel schneller. Seine Stärkemehl erwächst aus dem “Qubit”. Heutige Computer nutzen wie kleinste Recheneinheit dies sogenannte Bit. Dieses kann jeweils nur den Zahl 0 und 1 nachdem sich ziehen. Dies Qubit hingegen nutzt die sogenannte Superposition und rechnet mit beiden Werten simultan.

Google gelingt wichtiger Vorführung

Mit jedem weiteren Qubit verdoppelt sich die Zahl welcher parallel verarbeitbaren Wissen. Mit ein paar Hundert Qubits ist welche Zahl schon größer wie die Warteschlange welcher Atome im Universum. Dass die Wundermaschine wirklich prompt rechnet, bewies Google im vergangenen Jahr. Sein Quantenchip löste eine Kapitulation in wenigen Minuten, zum Besten von die ein Superrechner Jahrtausende gebraucht hätte – und dies mit nur 53 Qubits.

Verschmelzen praktischen Ziel hatte die Rechenaufgabe zwar nicht, trotzdem dies soll sich ändern: Denkbare Einsatzgebiete zum Besten von künftige Quantenrechner liegen zum Paradigma darin, optimale Lösungen in einem Schober an Möglichkeiten zu finden oder neue Algorithmen in welcher künstlichen Intelligenz zu zuteilen, die viel schneller lernen.

Am Forschungszentrum Jülich entsteht derzeit ein Computer im Rahmen des Projekts OpenSuperQ – welcher erste dieser Wesen in Europa. “Wir testen gerade einen sehr einfachen Quantenchip mit zwei Qubits”, erklärt David DiVincenzo, Rektor des Bereichs Theoretische Nanoelektronik des Peter Grünberg Instituts am FZ Jülich. Warum nur zwei Qubits, wenn welcher Google-Rechner schon nebst 53 ist? Europa will sich die Technologie selbst zusammentragen und muss von dort nebst null einleiten, will trotzdem schnell aufholen. Ein zusätzlicher Chip mit sieben Qubits soll in Zukunft eingebettet werden. Weitere werden nachstellen.

Neue Materialien schneller prosperieren

“Wir brauchen noch einige Jahre, bis wir mit dieser Maschine einen Quantenvorteil erlangen können”, sagt David DiVincenzo. Mit “Quantenvorteil” meint er erste nutzbringende Anwendungen – konkret: Mit rund 100 Qubits wollen die Forscher mit OpenSuperQ vor allem chemische Verbindungen und deren Reaktionen vortäuschen – und zwar rascher und genauer wie jeder Supercomputer. Industrieunternehmen wie Merck oder BASF sondieren schon, wie sie mit Quantenrechnern schneller neue Wirkstoffe oder bessere Materialien, etwa mit höherer Festigkeit, prosperieren können.

Die Qubits durchaus lassen sich nicht gut zügeln. Dies Hauptproblem zum Besten von die Wissenschaftler: Nachher Sekundenbruchteilen verlieren Qubits ihre Fähigkeit, Werte simultan zu speichern. Denn Quanten sind sehr weich und können leichtgewichtig nicht fest werden, sodass die Superposition zusammenbricht und Rechenfehler vorbeikommen.

Deswegen zu tun sein die Qubits in großen Kühlapparaten so gut wie möglich von welcher Außenwelt abgeschirmt und stabilisiert werden. Doch dies ist aufwendig und gelingt nur eingeschränkt. Wenn die Qubits stabiler wären, ließen sie sich zu Zehntausenden zusammenschnüren, so die Hoffnung welcher Forscher. Und dies ist die Zahl von Qubits, die nachher Expertenschätzung zum Besten von verschmelzen “richtigen”, universell einsetzbaren Quantencomputer nottun wird.

Minimal-Sensoren könnten Tumore mappen

Dass Qubits solche Mimosen sind, lässt sich fernerhin nutzen: zum Besten von vornehmlich empfindliche, genaue und miniaturisierte Sensoren – ein weiteres Ziel welcher Quantentechnologie. Wegen ihrer geringen Größe können Atome an unzugänglichen Orten eingesetzt werden, selbst im Körperinneren. Dort könnten spezielle Sensoren, die hinaus welcher Quantentechnologie basieren, genutzt werden, um etwa Tumore zu mappen. Welcher große Vorteil: Leer Teilchen einer Wesen sind inhaltsgleich und reagieren hinaus gleiche Reize gleich. Ein “Quantensensor” spart von dort die regelmäßige Eichung, die Natur justiert ihn.

Arne Wickenbrock vom Helmholtz-Institut Mainz nutzt Stickstoffatome wie Sensoren, die in verschmelzen Diamanten eingebettet sind. Dies Atom verhält sich wie eine Kompassnadel, die hinaus winzige Magnetfelder reagiert. “Bezogen auf sein Volumen hat dieser Sensor die weltweit größte Empfindlichkeit”, sagt welcher Physiker. Die Hülle aus Diamant schirmt ihn gegen störende Umwelteinflüsse ab, sodass er fernerhin im menschlichen Leib funzen würde.

“Man könnte sogar Gehirnströme genau genug messen, um Computer per Gedanken zu steuern”, nennt Arne Wickenbrock eine weitere Vision. Und: Weil sich die Orientierung welcher atomaren Kompassnadel präzise forcieren lässt, will sein Forscherteam damit millimetergenaue Navigationsgeräte zuteilen. Sie könnten etwa autonome Autos fernerhin dann in welcher Spur halten, wenn welcher Kontakt zum Satelliten abreißt – im Tunnel etwa.

Grundwasserspiegel aus dem Raum ermitteln

Den Spitzentreffen an Präzision hinhauen Quantensensoren wohl nebst welcher Messung welcher Schwerkraft. Atome wie Gravitationssensoren sind weich genug, um selbst aus dem Raum eine Veränderung des Grundwasserspiegels zu wiedererkennen, davon sind Wissenschaftler überzeugt. Welcher Sensor arbeitet mit welcher Wellennatur, die Atome in Konsens mit Quantenphysik nachdem sich ziehen. Die Wellenlänge welcher Teilchen ist 10.000-mal dicker Teppich wie die von Licht. Die Woge wirkt, grob gesagt, wie ein total feiner Zollstock, mit dem sich die Länge des Weges forcieren lässt, den ein Atom nimmt. Feinste Unterschiede in welcher Schwerkraft ändern die Weglänge, die unbesetzt fallende Atome in einer bestimmten Zeit zurücklegen. So lassen sich minimale Unterschiede in welcher Gravitation forcieren.

“Wir entwickeln einen gravimetrischen Quantensensor, der zehnmal genauer ist als die besten derzeit verfügbaren Sensoren”, sagt Wolfgang Ertmer vom Institut zum Besten von Satellitengeodäsie und Inertialsensorik des Deutschen Zentrums zum Besten von Luft- und Raumfahrt (DLR). Rein rechnerisch könnte man damit die Schwerkraft, die von einem menschlichen Leib ausgeht, noch in einem Kilometer Leerschlag messen.

Sie Präzision biete faszinierende Möglichkeiten, so welcher Physiker, etwa die Untersuchung des Innern des Planeten roter Planet. Denn unterschiedliche Materialien unter welcher Planetenoberfläche wirken sich hinaus die örtliche Schwerkraft aus. Noch interessanter trotzdem findet er die Unwägbarkeit, offene Rätsel welcher zu trennen, etwa ob die Gesetze welcher Schwerkraft zum Besten von total kleine Massen noch gelten. Dieses Wissen könnte in diesem Zusammenhang helfen, eine Lücke zu schließen, die schon nachhaltig im physikalischen Weltbild klafft: Bislang gelang es nicht, Quantenphysik und Einsteins Theorie welcher Gravitation zu vereinen. Wenn zwei Modelle unter verschmelzen Hut kommen, loyal sich oft ganz neue Einsichten. Somit könnte die Quantentechnologie nicht nur den Alltagstrott verändern, sondern fernerhin dies Weltbild.

Weiterlesen: Dieser Kautel erschien zuerst im Magazin “Helmholtz Perspektiven” und hinaus helmholtz.de.



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