Die Bedeutung des Quantenbegriffs

Der renommierte Physiker Richard Feynman äußerte einst die bemerkenswerte Feststellung: “Ich glaube, mit Sicherheit sagen zu können, dass niemand die Quantenmechanik versteht.”

Obwohl es wahrscheinlich ist, dass Feynman die Quantenphysik besser verstand als die meisten seiner Zeitgenossen, brachte er dennoch auf den Punkt: Das Quantenuniversum ist rätselhaft, komplex und widersprüchlich.

Die Aufgabe, Quantensysteme zu beschreiben und zu erklären, wie sie die Welt verändern könnten, ist daher alles andere als einfach. Doch für Clément Brauner, Managing Consultant für neue Technologien und Quanten bei Capgemini Invent, Iftikhar Ahmed, Senior Business Enterprise Architect bei Capgemini, und Franziska Wolff, Beraterin für Quantentechnologie und Projektmanagerin bei Capgemini Engineering, gehört dies zu ihrem täglichen Geschäft.

Das Quanten-Rätsel

Clément, der aus dem Ingenieurwesen stammt, betont: “Wir leben bereits seit fast einem Jahrhundert im Zeitalter der Quantenphysik. Dank der Fortschritte im Quantencomputing stehen wir nun an der Schwelle zur zweiten Quantenrevolution. Meine Aufgabe besteht darin, Kunden dabei zu unterstützen, die Möglichkeiten zu erkennen und sich auf die Entwicklung dieses faszinierenden Gebiets vorzubereiten.”
Um dies zu erreichen, sucht Clément ständig nach neuen Wegen, um Kunden und Kollegen das Potenzial dieser Technologie zu vermitteln. Eine der am häufigsten gestellten Fragen lautet: “Was unterscheidet Quantencomputer von klassischen Computern?”

“Ich erkläre, dass die grundlegendste Einheit in der klassischen Datenverarbeitung, das ‘Bit’, nur entweder eine Null oder eine Eins darstellen kann. Im Gegensatz dazu kann die grundlegende Einheit im Quantencomputer, das ‘Qubit’, jeden Wert zwischen Null und Eins repräsentieren. Das bedeutet, dass ein Qubit viel mehr Informationen speichern und verarbeiten kann.”

Treten Sie ein in das Quantenlabyrinth

Iftikhar verwendet gerne eine etwas andere Metapher. “Stellen Sie sich vor, Sie stellen einem herkömmlichen Computer eine Frage”, erklärt er. “Um die Antwort zu finden, schickt der Computer einen einzigen ‘Punkt’ durch ein Labyrinth, um den Ausgang zu finden. Jedes Mal, wenn er in eine Sackgasse gerät, muss er zum Anfang zurückkehren. Ein Quantencomputer hingegen löst das Problem, indem er Hunderte von Punkten gleichzeitig durch das Labyrinth schickt. Viele von ihnen werden in Sackgassen landen, aber einer wird den Ausgang viel schneller finden als ein herkömmlicher Computer.”

“Was die Menschen wirklich über Quantencomputer wissen müssen, ist, dass es sich um eine neue Technologie handelt, die uns maßgeblich dabei unterstützen wird, unsere Welt besser zu verstehen. Es wird viel über Quantencomputer gesprochen, und einige mögen behaupten, dass der Hype zu groß ist und ein Quantencomputer nicht alle unsere Probleme lösen wird. Das ist sicherlich wahr, aber es ist ein Werkzeug, das unsere Forschung und Entwicklung erheblich beschleunigen kann, um ein besseres Verständnis für die Vorgänge in unserer Welt zu erlangen. Das Potenzial ist enorm – und wir stehen erst am Anfang dieser spannenden Reise.”

Anwendungen, die die Welt verändern

Iftikhar betont, dass die Quantentechnologie zwar bahnbrechend sein könnte, ihr Potenzial jedoch, um es mit den Worten des Science-Fiction-Autors William Gibson zu sagen, nicht gleichmäßig verteilt ist. “Die Quantentechnologie wird für einige spezifische Probleme äußerst nützlich sein”, erklärt er. “Die größten Fortschritte werden wir in Bereichen wie den Biowissenschaften und den physikalischen Materialien erleben, da es sich hier im Grunde um natürliche (und damit quantenmechanische) Prozesse handelt.”

Die Erfindung der Quantenimpfstoffe

Mit ihrem Hintergrund in Biowissenschaften und computergestützter Chemie kann Franziska dem nur zustimmen. “Für mich ist eines der vielen faszinierenden Aspekte der Quantenphysik, dass sie uns in Zukunft ermöglichen wird, Proteine viel detaillierter zu beschreiben, als es bisher möglich war. Durch die Anwendung von Quantensimulationen auf die Interaktion von Medikamenten mit Proteinen können wir schneller und präziser neue Medikamente entwickeln.”

Clément ist ebenfalls begeistert von dem Potenzial der Quantenphysik für die Medikamentenentwicklung. “Heutzutage dauert es etwa zehn Jahre und kostet etwa eine Milliarde Euro pro Jahr, um ein neues Medikament zu entwickeln. Da die Quanteninformatik in der Lage ist, molekulare Wechselwirkungen besser zu simulieren, könnte sie diese Zeitspanne erheblich verkürzen.”

Umgang mit dem Klimawandel

Die Kollegen von Capgemini sind sich einig, dass Quantencomputing auch eine bedeutende Rolle im Kampf gegen den Klimawandel spielen könnte, indem es die Optimierung der Erzeugung erneuerbarer Energien ermöglicht.

“Die Metallurgie, die beim Design von Solarzellen eine Rolle spielt, ist derzeit durch die Anzahl der Parameter begrenzt, die herkömmliche Computer bei der Modellierung berücksichtigen können”, erklärt Clément. “Mit Quantencomputern können wir viele mehr Parameter berücksichtigen, was dazu führt, dass unsere Ergebnisse die physikalische Realität genauer widerspiegeln. Dies könnte beispielsweise die Effizienz unserer Solarzellen erheblich verbessern.”

Franziska ergänzt ein weiteres Beispiel: “Die Möglichkeit, die genauen Eigenschaften einer Batteriezelle zu simulieren, könnte uns bei der Optimierung von Batterien für die Luft- und Raumfahrt erheblich helfen.”

Auf dem Weg zu einem Quantenvorsprung

Für Iftikhar ist das bevorstehende Quantenzeitalter kein ferner Traum mehr, sondern könnte schon in wenigen Jahren Realität werden. “Fehlertolerante Quantencomputer könnten bereits bis 2030 existieren und den sogenannten ‘Quantenvorteil’ erreicht haben, bei dem Quantencomputer in einer Reihe von Anwendungen die Fähigkeiten herkömmlicher Computer übertreffen.”

Obwohl er diese Entwicklungen begrüßt, mahnt Clément zur Vorsicht. “Die Geschichte lehrt uns, dass neue Technologien unvorhergesehene Probleme mit sich bringen können, wie zum Beispiel den enormen Energieverbrauch, den fortschrittliche Computer benötigen. Während wir also daran arbeiten, nützliche Lösungen zu entwickeln, müssen wir auch immer die Auswirkungen auf uns selbst und unseren Planeten berücksichtigen.”

Für alle drei bleibt die Quantenphysik eine faszinierende Grenztechnologie mit dem Potenzial, Probleme zu lösen, von denen wir noch nicht einmal zu träumen wagen, und sie verblüfft und fasziniert Forscher und Wissenschaftler gleichermaßen.

Dem würde auch Richard Feynman zustimmen.