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Häufige Fragen

Grundlagen

Was ist Superposition in einem Satz?

Ein Quantensystem muss sich vor der Messung nicht für ein einziges Ergebnis entscheiden, sondern kann mehrere Möglichkeiten gleichzeitig in sich tragen. Das heißt nicht, dass wir die Antwort bloß nicht kennen. Sie steht tatsächlich noch nicht fest und wird erst durch die Messung festgelegt.

Ist Schrödingers Katze wirklich tot und lebendig?

Nein. Schrödinger hat sich das Beispiel 1935 als Kritik ausgedacht. Er wollte zeigen, wie absurd es wird, wenn man die Regeln der winzigen Teilchen auf große Dinge überträgt. Bei einzelnen Atomen lässt sich die Superposition genau nachmessen. Bei einer Katze gibt es sie nicht, denn sie besteht aus unvorstellbar vielen Teilchen und ist immer eindeutig lebendig oder eindeutig tot.

Was ist ein Qubit?

Ein Qubit ist das kleinste Quantensystem mit genau zwei möglichen Messergebnissen, meist 0 und 1. Anders als ein gewöhnliches Bit kann es vor der Messung in einer Superposition aus beiden Werten stehen. Um seinen Zustand vollständig zu beschreiben, braucht man zwei Winkel. Deshalb lässt er sich als Punkt auf einer Kugel darstellen, der Bloch-Kugel.

Was ist Interferenz?

Wellen überlagern sich und addieren dabei ihre Ausschläge. Wo Berg auf Berg trifft, wird die Welle stärker. Wo Berg auf Tal trifft, löschen sie sich aus. In der Quantenmechanik überlagern sich die Möglichkeiten selbst. Deshalb kann ein Ergebnis verschwinden, obwohl beide Wege dorthin offen sind, und ein anderes wird dafür umso wahrscheinlicher.

Was bedeutet „Messung zerstört den Zustand“?

Messen ist kein passives Hinschauen, sondern eine Wechselwirkung mit dem System. Danach befindet es sich in genau einem der möglichen Ergebnisse und die ursprüngliche Superposition ist unwiederbringlich verloren. Das kannst du an der Bloch-Kugel selbst ausprobieren. Nach jeder Messung springt der Pfeil auf einen der beiden Pole.

Was ist Verschränkung?

Zwei Teilchen können so eng verbunden sein, dass keines von beiden für sich einen eigenen Zustand hat. Beschrieben werden kann nur das Paar gemeinsam. Misst man beide, passen die Ergebnisse immer zusammen, obwohl jedes einzelne für sich rein zufällig ausfällt. Du kannst so ein Paar selbst herstellen, mit dem Bell-Zustand am QuantumTable.

Was ist die Unschärferelation?

Bestimmte Größenpaare, etwa Ort und Impuls eines Teilchens, können nicht beide gleichzeitig beliebig genau festliegen. Je genauer der Ort bekannt ist, desto unbestimmter wird der Impuls, und umgekehrt. Das liegt nicht an ungenauen Messgeräten. Es ist eine Eigenschaft der Natur selbst und würde auch mit perfekter Technik bestehen bleiben.

Quantencomputer

Sind Quantencomputer einfach schnellere Computer?

Nein. Bei bestimmten Aufgaben sind sie tatsächlich viel schneller, bei den meisten anderen aber langsamer als dein Laptop. Für Videos, Chats oder Textverarbeitung bringen sie nichts. Ein Quantencomputer ist ein Spezialwerkzeug für ausgewählte Probleme und kein besserer Alleskönner.

Probiert ein Quantencomputer alle Möglichkeiten gleichzeitig aus?

Das ist die häufigste Fehlvorstellung. Zwar hat er während der Rechnung viele Möglichkeiten gleichzeitig im Spiel, am Ende darf er aber nur einmal messen und bekommt dabei ein einziges Ergebnis. Würde man einfach drauflos messen, käme nur Zufall heraus. Die eigentliche Kunst besteht darin, die Rechnung so zu gestalten, dass sich die falschen Möglichkeiten durch Interferenz auslöschen und die richtige übrig bleibt.

Wofür sind sie tatsächlich gut?

Am aussichtsreichsten ist die Simulation von Molekülen und Materialien, etwa für neue Medikamente oder bessere Batterien. Dazu kommen bestimmte Optimierungsprobleme. Bekannt, aber noch weit entfernt, ist auch das Knacken heutiger Verschlüsselung. Vieles davon befindet sich noch in der Forschung und ist kein fertiges Produkt.

Wann kann ich einen kaufen?

Für zu Hause wahrscheinlich nie, denn die Geräte brauchen extreme Kälte und aufwändige Abschirmung. Realistischer ist der Zugriff über die Cloud. Den gibt es schon heute, teilweise sogar gratis für kleine Experimente. Dabei läuft dein Programm auf einem Gerät im Labor und du bekommst nur das Ergebnis zurück.

Ist meine Verschlüsselung bald unsicher?

Heute noch nicht. Dafür bräuchte es viel größere und stabilere Quantencomputer, als es sie derzeit gibt. Ein Risiko besteht eher darin, dass jemand verschlüsselte Daten jetzt speichert und später entschlüsselt. Deshalb werden schon heute neue, quantensichere Verfahren entwickelt und eingeführt.

Warum sind Quantencomputer so empfindlich?

Jede Störung von außen zerstört die Superposition der Qubits. Fachleute nennen das Dekohärenz. Schon Wärme, Vibrationen oder Streulicht reichen dafür aus. Deshalb werden viele Quantencomputer fast bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt und aufwändig abgeschirmt, und deshalb ist die Fehlerkorrektur ein so großes Forschungsthema.

Große Fragen

Ist der Zufall echt oder kennen wir nur die Details nicht?

Nach heutigem Wissensstand ist er echt. Experimente zu den Bell'schen Ungleichungen, die 2022 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden, schließen naheliegende Erklärungen mit „versteckten Variablen“ aus. Vollständig geklärt ist die Deutung der Quantenmechanik damit aber noch nicht, und darüber wird weiter geforscht.

Gibt es Paralleluniversen?

Das ist eine Interpretation der Quantenmechanik, die Viele-Welten-Deutung, und keine Messung. Sie macht dieselben Vorhersagen wie andere Deutungen. Die Physik entscheidet zwischen Theorien durch Experimente, und hier liefern bisher alle Deutungen dieselben Ergebnisse. Ob es Paralleluniversen gibt, kann deshalb derzeit niemand nachweisen.

Hat Bewusstsein etwas mit der Messung zu tun?

Nein. Eine Messung braucht kein Bewusstsein. Ein Detektor, eine Fotoplatte oder schon die Luft im Raum reichen völlig aus, weil sie mit dem System wechselwirken. Die Idee geht auf Spekulationen einzelner Physiker zurück, etwa Eugene Wigner in den 1960er-Jahren, und wurde vor allem durch populäre Bücher verbreitet. In der heutigen Physik spielt sie keine Rolle.

Kann man mit Verschränkung schneller als Licht kommunizieren?

Nein, und das lässt sich sogar beweisen. Dein Messergebnis ist reiner Zufall, den du nicht steuern kannst. Dass beide Seiten zusammenpassen, fällt erst auf, wenn sie ihre Ergebnisse vergleichen. Dafür müssen sie sich über einen ganz normalen Kanal austauschen, der nie schneller als das Licht ist.

Alltag

Begegnet mir Quantenphysik im Alltag?

Ständig. LEDs, Laser, Solarzellen, die Chips in deinem Handy, die MRT im Krankenhaus und die Atomuhren im GPS beruhen alle auf Quantenmechanik. Sie ist also nicht exotisch, sondern die am besten bestätigte Theorie der gesamten Physik.

Warum wirkt das im Alltag nie „quantenhaft“?

Der Grund ist die Dekohärenz. Je mehr Teilchen ein Objekt hat, desto schneller zerstört die Umgebung seine Superposition. Bei Alltagsgegenständen passiert das so unvorstellbar schnell, dass wir davon nie etwas bemerken.

Was ist mit „Quantenheilung“ oder „Quantenenergie“?

Damit hat die Physik nichts zu tun. Ein guter Prüfstein ist die Frage, ob genaue Zahlen vorhergesagt werden, die man widerlegen könnte. Echte Quantenphysik macht zahlenmäßige Vorhersagen. Wenn „Quanten“ nur als Stimmungswort auftaucht, handelt es sich um Marketing.

Ich verstehe es einfach nicht. Bin ich zu dumm?

Nein. Die Quantenmechanik widerspricht unserer Alltagserfahrung und dein Gehirn wurde nicht dafür gebaut. Selbst Richard Feynman, einer der bekanntesten Physiker des 20. Jahrhunderts, soll sinngemäß gesagt haben, dass sie niemand wirklich versteht. Rechnen und vorhersagen können wir sie trotzdem hervorragend, und das Verstehen wächst mit dem Ausprobieren.

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Fragen, die wir gerne hören

„Kann ich das jemals verstehen?“

Ja. Nicht heute vollständig, aber der Kern ist zugänglicher, als das Gerede darüber vermuten lässt.

„Wozu ist das gut?“

Eine völlig faire Frage. Ehrliche Antwort: Bei manchem wissen wir es, bei manchem hoffen wir es, bei manchem noch gar nicht.

„Glaubt ihr das wirklich?“

Wir glauben nicht — wir messen. Und die Messungen stimmen mit der Theorie auf viele Nachkommastellen überein.

Und wenn wir es nicht wissen?

Dann sagen wir das. In der Quantenphysik gibt es Fragen, über die Fachleute seit hundert Jahren streiten — „das ist offen“ ist eine legitime und ziemlich spannende Antwort.