Weltquantentag | Warum ist es für Wissenschaftler so schwer zu fassen? Das Geheimnis der Quanten

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Zusammengestellt von New Media Editor Duan Dawei

Der 14. April ist der Weltquantentag. Der 14. April ist der Grund, warum der Weltquantentag begangen wird, weil die Planck-Konstante 4,135667696×10-15eV·s beträgt, also ungefähr 4,14. Diese Zahl wurde inzwischen jedoch in eine andere lange Zahlenfolge korrigiert, die genauer ist. Bei Verwendung internationaler Einheiten beträgt die Planck-Konstante 6,62607015×10-34J·s. Es handelt sich um eine Initiative, die 2021 von Wissenschaftlern aus mehr als 65 Ländern ins Leben gerufen wurde. Der 14. April eines jeden Jahres wird zum „Weltquantentag“ erklärt, um das Interesse und die Begeisterung der Menschen für die Quantentechnologie zu wecken und das öffentliche Bewusstsein für die positiven Auswirkungen zu schärfen, die die Quantenwissenschaft auf die Gesellschaft hat und haben wird. Es handelt sich um eine internationale Veranstaltung mit Schwerpunkt Quantentechnologie. Was ist Quanten? Wie hat es uns verändert? Wie ist der aktuelle Stand der Quantentechnologie in meinem Land?

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Die „mysteriöse“ Quantenwelt

Um die Quantentechnologie zu verstehen, müssen wir zunächst mit Quanten beginnen. Was ist Quanten? Der Quantentheorie zufolge ist das Quant die grundlegendste Einheit der Materie, der grundlegendste Energieträger und unteilbar. Wenn ein Ding die kleinste unteilbare Grundeinheit hat, können wir sagen, dass es quantisiert ist und die kleinste Einheit ein Quant nennen.

Alle den Menschen bekannten mikroskopischen Teilchen wie Moleküle, Atome, Elektronen, Photonen usw. sind eine Form der Quantenmanifestation.

Cao Zexian, ein Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, zog in seiner Wissenschaftsrede zum Silvesterabend 2020 einmal die Analogie, dass die kleinsten Einheiten der Dinge, die wir in unserem Leben sehen und wahrnehmen können, darunter Licht und Energie, als Quanten bezeichnet werden können. Genauso ist es, wenn wir einen Fischschwarm aus der Ferne betrachten. Er sieht aus wie eine riesige schwarze Masse, aber wenn wir näher heranzoomen, sehen wir einzelne Fische. Man kann sagen, dass dies die Quantenstruktur des Fischschwarms ist.

Aus der Sicht von Yuan Lanfeng, assoziierter Forscher und Experte für Wissenschaftspopularisierung an der University of Science and Technology of China, ist die ursprüngliche Bedeutung von Quanten ein mathematisches Konzept, das vereinfacht ausgedrückt „die kleinste Einheit diskreter Veränderung“ ist.

Was ist diskrete Änderung? Yuan Lanfeng erklärte es folgendermaßen: „Wenn wir die Anzahl der Personen zählen, können wir eine oder zwei Personen haben, aber nicht eine halbe Person oder ein Drittel einer Person.“ Wenn wir die Treppe hinaufsteigen, können wir immer nur ein oder zwei Stufen auf einmal erklimmen, nicht eine halbe oder eine Drittelstufe. Dies sind „diskrete Änderungen“. Für die Zwecke der Personenzählung ist eine Person ein Quantum. Beim Treppensteigen ist ein Schritt ein Quantum. Wenn sich etwas nur in diskreten Mengen ändern kann, sprechen wir von einer „Quantisierung“.

Im Gegensatz zur uns bekannten makroskopischen Welt hat man festgestellt, dass viele experimentelle Phänomene in der mikroskopischen Welt der Quanten dem gesunden Menschenverstand widersprechen und mit der klassischen Physik überhaupt nicht erklärt werden können. Beispielsweise ist gemäß der klassischen Physik der Zustand eines Objekts (dargestellt durch 0 und 1) wie das einfachste binäre Ein und Aus und kann nur in einem der Ein- oder Aus-Zustände sein, also entweder 0 oder 1. Das ist wie bei einer Katze, die entweder lebendig oder tot ist und nicht gleichzeitig „lebendig und tot“ sein kann.

Doch diese Theorie lässt sich in der Quantenwelt nicht anwenden: In der Quantenwelt kann sich eine Katze in einer Superposition befinden, in der sie sowohl lebendig als auch tot ist. Diese sogenannte quantenkohärente Superposition ist der grundlegende Unterschied zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt.

Noch erstaunlicher ist, dass dieser Überlagerungszustand äußerst fragil ist. Sobald es jemand misst, ändert es sich sofort von einem Überlagerungszustand in einen bestimmten Zustand.

Um dies zu verstehen, nehmen wir an, Sie haben ein Teilchen und zwei Detektoren, einen auf der linken und einen auf der rechten Seite. Wenn Sie ein Teilchen nach links schicken, tickt der linke Detektor. Wenn Sie ein Teilchen nach rechts schicken, gibt der rechte Detektor ein Klickgeräusch von sich. Doch in der Quantenmechanik ist noch mehr möglich: Ein Teilchen kann sich gleichzeitig in zwei Zuständen befinden. Beispielsweise kann man ein Teilchen durch einen Strahlteiler schicken, sodass es sich dann sowohl nach links als auch nach rechts bewegen kann. Physiker sagen, dass sich Teilchen in einer „Überlagerung“ von links und rechts befinden.

Der amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Murray Gell-Mann beklagte einst, dass die Quantenmechanik ein mysteriöses und schwer fassbares Thema sei. Keiner von uns kann es wirklich verstehen, wir wissen nur, wie man es nutzt.

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Quantentechnologie für den Wandel

Obwohl Quanten mysteriös erscheinen, ist die Quantentechnologie für die Menschen eigentlich gar nicht so weit entfernt. Die Quantentechnologie hat reichhaltige Technologien und Anwendungen hervorgebracht und die menschliche Zivilisation und Geschichte grundlegend verändert.

Die Quantentechnologie bildet die Hardware-Grundlage für die Informationsrevolution. Die Prinzipien von Lasern, Halbleitertransistoren und Chips basieren alle auf der Quantenmechanik. Die Quantenmechanik ermöglicht auch neue Technologien, wie etwa die Informationsspeicherung auf Magnet- und optischen Platten, Leuchtdioden sowie Satellitenortung und -navigation. Ohne Quantenmechanik gäbe es weder das Internet noch Smartphones.

Die Quantentechnologie bietet außerdem analytische Werkzeuge für Materialwissenschaft und -technologie, Medizin und Biologie, darunter Röntgenstrahlen, Elektronenmikroskopie, Positronenvernichtung, optische und magnetische Resonanzbildgebung usw. Quanten sind also unser alter Freund. Tatsächlich wies der Nobelpreisträger Lederman in den 1990er Jahren darauf hin, dass die Quantenmechanik damals ein Drittel zum US-BIP beitrug. Mittlerweile ist der Anteil viel höher und es ist schwierig, neue Technologien zu finden, die keinen Bezug zur Quantentechnologie haben. Man kann erkennen, dass die Quantenmechanik eine wichtige Grundlage der modernen Zivilisation ist.

Diese eher traditionellen wissenschaftlichen und technologischen Errungenschaften, die auf der Quantenmechanik basieren, haben sich zu einem relativ ausgereiften Stadium entwickelt. Heute ist die Entwicklung der Quantentechnologie von großer wissenschaftlicher Bedeutung und strategischem Wert und wird die Richtung einer neuen Runde wissenschaftlicher und technologischer Revolution und des industriellen Wandels vorgeben.

Durch eine präzisere Gestaltung und Manipulation dieser Eigenschaften von Quantenzuständen erwartet man in der zweiten Quantentechnologie-Revolution bahnbrechende technologische Innovationen, die traditionelle technologische Systeme beeinflussen und umgestalten werden. Zu den repräsentativen Bereichen zählen Quantencomputing, Quantenkommunikation und Quantenpräzisionsmessung. Man kann sagen, dass die Realisierung einer präzisen Manipulation von Quantenzuständen die Entwicklung der menschlichen Produktivität nicht weniger fördern wird als die Erfindung von Dampfmaschinen, Generatoren und Halbleitertransistoren.

Angesichts der bevorstehenden zweiten Revolution in der Quantentechnologie freuen wir uns einerseits auf die Überraschungen, die sie mit sich bringen wird, andererseits müssen wir auch umfassend darauf vorbereitet sein, diese Entwicklungschance zu nutzen. Wie Akademiker Xue Qikun von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sagte: „Wissenschaftler erschließen neue Grenzen im Bereich der Quantenwissenschaft, und wenn die Quantentechnologie der Menschheit wirklich Vorteile bringen soll, bedarf es der Beteiligung innovativerer Unternehmer, Unternehmerinnen, Investoren usw..“

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Chinas Quantentechnologie dringt ins „erste Lager“ vor

Guo Guangcan, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Direktor des dortigen Schlüssellabors für Quanteninformation, sagte: „In den drei großen Quantenbereichen liegen wir mittlerweile in allen Bereichen auf dem ersten Platz. Die Quanteninformatik war früher relativ rückständig, holt jetzt aber allmählich auf.“

Quantencomputing hat „unbegrenztes Potenzial“

Die Entstehung und Entwicklung der Quantenmechanik hat neue Möglichkeiten für das „Computing“ eröffnet. Während das Verständnis der Wissenschaftler für die Grundprinzipien der Quantenmechanik immer tiefer wird, hat man entdeckt, dass einige grundlegende Eigenschaften der Quantenmechanik, wie Superposition und Verschränkung, die Fähigkeit zur Kodierung und Verarbeitung von Informationen erheblich verbessern können. Ein gut konzipierter „Quantenalgorithmus“ kann die Rechenleistung erheblich beschleunigen.

Am 21. Dezember letzten Jahres kündigte die Physik-Website der American Physical Society zehn wichtige Fortschritte auf dem internationalen Gebiet der Physik im Jahr 2021 an. Ausgewählt wurden die Quantencomputer-Überlegenheitsexperimente „Zu Chongzhi-2“ und „Jiuzhang-2“, die von Pan Jianwei, Zhu Xiaobo, Lu Chaoyang und anderen von der University of Science and Technology of China durchgeführt wurden. Damit ist mein Land das einzige Land der Welt, das den Meilenstein der „Überlegenheit im Quantencomputing“ gleichzeitig in zwei physikalischen Systemen erreicht hat.

(Fotoquelle: Anhui.cn)

▲Das Gesamtinstallationsdiagramm von „Jiuzhang Nr. 2“. (Bildquelle: Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas)

„Quantenüberlegenheit“ ist wie eine Schwelle. Das bedeutet: Wenn die Rechenleistung eines neuen Quantencomputer-Prototyps bei einem bestimmten Problem die des leistungsstärksten herkömmlichen Computers übertrifft, beweist dies, dass er das Potenzial hat, andere in Zukunft in vielen Aspekten zu übertreffen.

Im vergangenen Oktober löste „Jiuzhang-2“ die Gaussian-Boson-Sampling-Methode 10 hoch 24 (eine Milliarde Mal) schneller als der schnellste Supercomputer der Welt. Die Rechenkomplexität von „Zu Chongzhi-2“ ist 1 Million Mal höher als die von „Platanus“, das von Google gestartet wurde. Die „Quantenüberlegenheit“ meines Landes hat Aufmerksamkeit erregt.

„Jetzt können wir sagen, dass auch unser Quantencomputing die weltweit erste Stufe erreicht hat.“ „Jiuzhang-2“ und „Zu Chongzhi-2“ wurden vom Team des Akademikers Pan Jianwei von der University of Science and Technology of China entwickelt, sagte Lu Chaoyang, Teammitglied und Projektleiter von „Jiuzhang-2“.

„Sichere und zuverlässige“ Quantenkommunikation

Kürzlich haben das Beijing Institute of Quantum Information Science sowie die Teams von Professor Long Guilu und Professor Lu Jianhua von der Tsinghua-Universität zusammengearbeitet, um ein neues Quantendirektkommunikationssystem zu entwerfen und zu implementieren, das eine gemischte Kodierung von Phasenquantenzuständen und Zeitstempelquantenzuständen verwendet. Die Kommunikationsdistanz beträgt 100 Kilometer, was derzeit die längste Quantendirektkommunikationsdistanz der Welt ist.

▲ Schematische Darstellung des Prinzips des neuen Quanten-Direktkommunikationssystems (Fotoquelle: Beijing Science and Technology News)

Herkömmliche Kommunikationsmethoden basieren auf Verschlüsselungsalgorithmen oder Verschlüsselungstechnologien. Ist die Rechenleistung ausreichend groß und der Verschlüsselungsalgorithmus geknackt, besteht die Gefahr des Abhörens. Die einzigartigen Eigenschaften der Quantenphysik verleihen ihr „angeborene Vorteile“ wie etwa Nicht-Klonen und Unsicherheit. Durch die Verwendung von Quantenschlüsseln zur Informationsübertragung kann der verschlüsselte Inhalt nicht entschlüsselt werden und Lauscher werden zwangsläufig „erwischt“. Dadurch wird es Lauschern unmöglich gemacht, das Signal abzufangen. Dadurch wird sichergestellt, dass die übertragenen Informationen im Prinzip nicht durch Berechnung entschlüsselt werden können und daher absolute Sicherheit bieten.

„Datengenaue“ Quantenmessung

Am 13. November 2018 wurden auf der 26. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht die vier Grundeinheiten Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol neu definiert, die den vier Grundkonstanten entsprechen: Planck-Konstante, Elementarladung, Boltzmann-Konstante und Avogadro-Konstante. Nach der Abstimmung wird es am 20. Mai 2019, dem Welttag der Metrologie, offiziell umgesetzt. Diese Neudefinition des Internationalen Einheitensystems markiert den Beginn des Quantenzeitalters des Internationalen Einheitensystems und der Präzisionsmessung und hat weitreichende Auswirkungen und große Bedeutung. Kurz gesagt basiert die Quantenmetrologie auf Zeit- und Frequenzeinheiten und verwendet grundlegende physikalische Konstanten als Vermittler, um die Reproduktion grundlegender Einheiten oder abgeleiteter Einheiten zu erreichen.

Um die internationalen Maßeinheiten zu vereinheitlichen und die Messgenauigkeit zu verbessern, hat die Internationale Konferenz für Maß und Gewicht die sieben grundlegenden physikalischen Einheiten im Hinblick auf die Quantisierung neu definiert. Nachdem diese Konstanten einheitlich definiert wurden, können die Einheiten physikalischer Größen überall auf der Welt reproduziert werden, ohne dass man auf den physikalischen Bezugspunkt des Internationalen Büros für Maß und Gewicht zurückgreifen muss. Damit wird das Ziel der „Quantisierung von Maßeinheiten und Vereinfachung der Rückverfolgbarkeit von Mengenwerten“ tatsächlich verwirklicht.

▲Quantisierungsdefinition der sieben internationalen Basiseinheiten (Fotoquelle: Xinhuanet)

Durch die Quantisierung physikalischer Einheiten lässt sich die Messgenauigkeit deutlich verbessern. Am Beispiel der Zeiteinheit „Sekunde“ und der Frequenzeinheit „Hertz“ konnte ihre Genauigkeit nach der Quantisierung von einem Millionstel auf ein Billionstel verbessert werden, und die Unsicherheit der Frequenz der optischen Uhr betrug sogar nur noch ein Billionstel. Diese Errungenschaften haben die rasante Entwicklung der Satellitennavigation, der Computer und des Internets gefördert. Darüber hinaus erhöhte sich der Messfehler nach der Quantisierung der Längeneinheit „Meter“ rasch um das Tausendfache von 0,1 Mikrometer (einem Zehntausendstel Millimeter), was die Verbesserung von Luft- und Raumfahrttechnologien wie Kampfjets förderte.

Auf dem Gebiet der Quantenpräzisionsmessung liegen Chinas wissenschaftliches Forschungsniveau und technologische Anwendung auf Augenhöhe mit denen europäischer und amerikanischer Länder, und jedes dieser Länder verfügt über seine eigenen Vorteile. In den letzten Jahren hat mein Land bedeutende Ergebnisse erzielt, wie etwa die Messung des Kerr-Effekts mit Einzelphotonen und der Präzision der Heisenberg-Grenze, die dreidimensionale Einzelphotonenbildgebung über 200 Kilometer und die Erfassung magnetischer Resonanzspektren einzelner DNA-Moleküle in einer wässrigen Lösung bei Raumtemperatur. Darüber hinaus hat China innovative Produkte wie ein Quantendiamant-Einzelspinspektrometer und ein Quantendiamant-Rasterkraftmikroskop auf Basis der Diamant-NV-Farbzentrumstechnologie entwickelt.

Während sich die Quantentechnologie rasant entwickelt, sind ihre Entwicklungs- und Anwendungsaussichten noch immer mit langfristigen Auswirkungen und Unsicherheiten behaftet. Dr. Lai Junsen vom Institute of Technology and Standards der China Academy of Information and Communications Technology führte am Beispiel des Quantencomputings aus, dass die Schwelle fehlerkorrigierbarer logischer Quantenbits noch nicht überschritten sei, groß angelegtes allgemeines Quantencomputing noch ein langfristiges Ziel sei und sich die Systemarchitektur und das Softwaresystem des Quantencomputings noch in der anfänglichen Erkundungsphase befänden. Die Anforderungen an die Arbeitsumgebung sind nach wie vor sehr streng. Mehrere technische Ansätze wie Supraleitung, Photonen, Ionenfallen, Halbleiter und Topologie entwickeln sich parallel. Welche Route sich in Zukunft „durchsetzen“ wird, ist noch nicht bekannt.

Die Zukunft der Quantentechnologie ist also rosig, aber es ist keineswegs ein einfacher Weg. Nur wenn wir keine Angst vor Schwierigkeiten und Hindernissen haben, können wir einen neuen „Quantengipfel“ erreichen und neue Vorteile aufbauen.

(Quelle: „Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften“, öffentlicher WeChat-Account „Principle“, Xinhuanet, People’s Daily, Beijing Science and Technology News usw.)

Produziert von: Science Central Kitchen

Produziert von: Beijing Science and Technology News | Pekinger Wissenschafts- und Technologiemedien

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