Quantum
Was ist ein Quantum?
Ein Quantum (Plural: Quanten) ist die kleinste diskrete Einheit einer physikalischen Einheit (Phänomen). Ein Lichtquant ist beispielsweise ein Photon und ein Elektrizitätsquant ist ein Elektron. Allerdings ist nicht jedes Quantum ein Teilchen. Quanten können auch andere Eigenschaften wie Drehimpuls oder Energie beschreiben. Quantum kommt aus dem Lateinischen und bedeutet eine Menge oder wie viel. Wenn etwas quantifizierbar ist, dann kann es gemessen werden.
Was ist ein Quantum in der Physik?
Die moderne Verwendung des Begriffs Quantum in der Physik wurde 1901 von Max Planck geprägt. Er versuchte, die Strahlung schwarzer Körper zu erklären und wie sich die Farbe von Gegenständen ändert, nachdem sie erhitzt wurden. Anstatt davon auszugehen, dass die Energie in einer konstanten Welle abgestrahlt wird, stellte er die These auf, dass die Energie in diskreten Paketen oder Bündeln abgestrahlt wird. Diese wurden als Energiequanten bezeichnet. Auf diese Weise entdeckte er die Plancksche Konstante, die eine fundamentale universelle Größe darstellt.
Die Plancksche Konstante wird mit h symbolisiert und setzt die Energie eines Photons in Beziehung zur Frequenz des Photons. Aus der Planckschen Konstante wurden weitere Einheiten abgeleitet: die Plancksche Distanz und die Plancksche Zeit, die die kürzeste sinnvolle Einheit der Distanz und die kürzeste sinnvolle Einheit der Zeit beschreiben. Für alles, was kleiner ist, macht die Unschärferelation von Werner Heisenberg die Messungen bedeutungslos.
Die Entdeckung der Quanten und der Quantennatur der subatomaren Teilchen führte zu einer Revolution in der Physik. Daraus entstand die Quantentheorie oder Quantenmechanik. Die Quantentheorie beschreibt das Verhalten von mikroskopischen Teilchen, Albert Einsteins Relativitätstheorie das Verhalten von makroskopischen Dingen. Diese beiden Theorien bilden die Grundlage der modernen Physik. Leider befassen sie sich mit unterschiedlichen Bereichen, so dass die Physiker nach einer so genannten einheitlichen Theorie von allem suchen.

Subatomare Teilchen verhalten sich auf eine Weise, die kontraintuitiv ist. Ein einzelnes Photonenquant kann gleichzeitig durch zwei Schlitze in einem Stück Material gehen, wie das Doppelspaltexperiment zeigt. Schrödingers Katze ist ein berühmtes Gedankenexperiment, das ein Quantenteilchen in Superposition beschreibt, also in einem Zustand, in dem die Wahrscheinlichkeitswellenform nicht kollabiert ist. Teilchen können auch quantenverschränkt werden, so dass sie über eine Entfernung hinweg sofort miteinander interagieren.
Was ist Quantencomputing?
Die Quanteninformatik nutzt die Natur subatomarer Teilchen, um Berechnungen durchzuführen, anstatt elektrische Signale wie bei der klassischen Informatik zu verwenden. Quantencomputer verwenden Qubits anstelle von binären Bits. Durch Programmierung der Anfangsbedingungen des Qubits kann das Quantencomputing ein Problem lösen, wenn der Überlagerungszustand zusammenbricht. Der Schwerpunkt der Quantencomputerforschung liegt auf der Verknüpfung einer größeren Anzahl von Qubits, um größere und komplexere Probleme lösen zu können.

Quantencomputer können bestimmte Berechnungen viel schneller durchführen als klassische Computer. Um eine Antwort auf ein Problem zu finden, müssen klassische Computer alle Optionen nacheinander durchgehen. Bei manchen Problemen kann es sehr lange dauern, alle Optionen durchzugehen. Quantencomputer müssen nicht jede Option ausprobieren, sondern können die Antwort fast sofort finden.
Einige Probleme, die Quantencomputer schneller lösen können als klassische Computer, sind die Faktorisierung von Primzahlen und das Problem des Handlungsreisenden. Sobald Quantencomputer die Fähigkeit zeigen, diese Probleme schneller zu lösen als klassische Computer, wird die Quantenüberlegenheit erreicht sein.

Die Primfaktorzerlegung ist eine wichtige Funktion für die modernen Kryptografiesysteme, die die digitale Kommunikation sichern. Experten gehen derzeit davon aus, dass Quantencomputer die bestehenden kryptografischen Systeme unsicher und überflüssig machen werden.

Derzeit wird an der Entwicklung der Post-Quanten-Kryptografie gearbeitet, um Algorithmen zu entwickeln, die gegen Quantenangriffe resistent sind, aber dennoch von klassischen Computern verwendet werden können. Letztendlich wird eine vollständige Quantenkryptografie für Quantencomputer verfügbar sein.