Virtuelles Netzwerk zur Quantenkontrolle

20.02.2015
Foto: Darstellung eines Atoms sowie eines Molekülstranges

Die Quantenphysik ist auch die Grundlage moderner bildgebender Verfahren in der Medizintechnik wie der Kernspintomographie; © panthermedia.net/Sebastian Duda

Die Quantenphysik wird für den technologischen Fortschritt immer wichtiger. Nicht nur auf dem Gebiet der Quanteninformation, beispielsweise bei der Entwicklung eines so genannten Quantencomputers, sondern auch in der Medizintechnik und in der chemischen Industrie können quantenphysikalische Methoden künftig eine große Rolle spielen. Umso wichtiger ist es, die zugrundeliegenden Prozesse zu verstehen und zu steuern, denn die Gesetze der Quantenphysik sind Teil unserer natürlichen Umgebung.

Dem Ziel, diese Gesetze zu kontrollieren, widmet sich eine neue, europaweite Einrichtung für Quantenkontrolle, in der sich Physiker, Chemiker und Mathematiker zusammengeschlossen haben.

Mit dem Begriff Quantentechnologie verbinden Laien meist die Idee eines futuristischen Quantencomputers, der vor allem das Entschlüsseln und Codieren von Informationen um ein Vielfaches beschleunigen und verstärken soll. Aber Quantenkryptographie oder die Quanteninformation sind nur ein Teil derjenigen Technologien, die mit der gezielten Steuerung quantenphysikalischer Prozesse möglich sind. Die Quantenphysik ist auch die Grundlage moderner bildgebender Verfahren in der Medizintechnik wie der Kernspintomographie. Auch in der Chemie kann die Quantenphysik neue Möglichkeiten eröffnen. Mit den richtigen mathematischen Algorithmen können Chemiker beispielsweise die Herstellung bestimmter Moleküle verbessern, indem ein Laser so gesteuert wird, dass mehr gewünschte Teilchen entstehen, als dies mit bisherigen Methoden möglich ist.

Quantenphysik tritt ganz natürlich in der Welt des Allerkleinsten auf. Mit dieser sind wir im Alltag erstaunlich oft konfrontiert: In der Kernspintomographie wird das Kreiseln von Atomkernen vom Durchmesser eines Femtometers (ein Millionstel Nanometer) untersucht. Chemische Reaktionen und Bindungen sind ein Quantenphänomen. Im Gegensatz zur „normalen“ Welt unserer Alltagserfahrung, wo alles nur zu einem Zeitpunkt in genau einem Zustand existieren kann, können Quantenteilchen wie magnetische Atomkerne und Elektronen in der chemischen Bindung mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen. Dementsprechend sind auch die Gesetze für ihre Steuerung anders als wir das gewohnt sind. Solche Prozesse in der Quantenwelt gilt es genau zu kontrollieren, um möglichst gute Ergebnisse zu erzielen. Genau wie in der Steuer- und Regelungstechnik in den Ingenieurwissenschaften helfen möglichst fehlerfreie Operationen in der Quantenwelt, die Leistungsfähigkeit der Hardware möglichst maximal zu nutzen, seien es nun Kernspins, Moleküle oder eben Quantenbits. Um diese so genannte Quantenkontrolle kümmert sich die „Virtuelle Einrichtung für Quantenkontrolle“, in der europaweit Wissenschaftler vernetzt sind. Diese ist aus dem europäischen Netzwerk QUAINT, das seit 2012 besteht, hervorgegangen.

In dieser virtuellen Einrichtung versammeln sich nicht nur Quantenphysiker, sondern auch Chemiker und Mathematiker. „Das ist deshalb interessant, weil wir Quantenphysiker ansonsten in den wenigsten Fällen verstehen können, wie ein Chemiker denkt und Probleme löst und umgekehrt. Wir können uns in diesem Netzwerk gegenseitig helfen und auf Probleme aufmerksam machen, die mithilfe einer anderen Wissenschaft vielleicht viel besser und einfacher gelöst werden kann als mit der eigenen Disziplin“, erklärt Frank Wilhelm-Mauch. Der Professor für Quanten- und Festkörpertheorie an der Saar-Uni ist als Generalsekretär für die „Virtual Facility for Quantum Control” sozusagen für die Geschäftsführung des Verbundes verantwortlich. Direktor der Einrichtung ist der Chemiker Professor Steffen Glaser von der Technischen Universität München.

Die Forscher wollen eine einheitliche Strategie zum Thema Quantenkontrolle erstellen: „Wir brauchen eine europäische Strategie, mit der wir Themen auf dem Gebiet der Quantenkontrolle planen und bearbeiten können, die in den kommenden zehn und mehr Jahren wichtig werden“, sagt Frank Wilhelm-Mauch. Das virtuelle Netzwerk soll daher nicht nur die wissenschaftliche Gemeinschaft in Europa vertreten, die sich ums Thema Quantenkontrolle kümmert. Die Forscher möchten auch die Politik, die Industrie und die Öffentlichkeit über das Thema Quantenkontrolle informieren.

Denn mit technischen Fortschritt und weiterer Miniaturisierung von Geräten werden zunehmend auch die Gesetze der Quantenphysik Einzug in den menschlichen Alltag halten. Umso bedeutender ist es, dass die Grundlagen und Naturgesetze, mit der man Technik künftig steuert, bekannt und kontrollierbar sind. „So wird aus der Quantenphysik als ursprünglich rein beobachtende Wissenschaft eine angewandte Technologie“, sagt Mauch.

COMPAMED.de; Quelle: Universität des Saarlandes