Quantentechnik

Bis zum funktionierenden Quantencomputer mag es noch ein paar Jahre dauern, aber die Quantenmechanik ist bereits seit langem ein wichtiger Bestandteil der Technik, die wir alltäglich benutzen.

Zunächst sind da natürlich viele quantenmechanische Effekte, die wir mehr oder weniger unbewusst anwenden. Dazu gehört im Grunde schon die Glühlampe, in der Atome angeregt werden und Licht aussenden, aber das ist ein sehr ungeordneter Vorgang.

Der Laser ist aber heutzutage ein sehr verbreitetes Werkzeug, dass man in jedem CD- oder DVD-Spieler findet. Hier werden Atome gezielt angeregt und durch die exakt gewählte Länge des Resonators, in dem sich die Atome befinden, kommt es zu einer stimulierten Emission von Licht. Dadurch entsteht eine Kettenreaktion, die sich selbstständig verstärkt, denn die hin und her reflektierten Lichtwellen lösen bei den Atomen, auf die sie treffen, eine Emission aus, die dann im Takt mit der auslösenden Welle schwingt und sich so bei jedem Umlauf im Resonator verstärkt. Nur ein kleiner Teil dieses im Gleichtakt schwingenden Lichts verlässt den Resonator an einer Seite und kann dann für verschiedene Zwecke genutzt werden.

Auch der ganz gewöhnliche Computer würde ohne die Quantenmechanik nicht funktionieren - es sei denn mit Relais. Die Schaltung eines Stromkreises in einem Transistor, von dem es inzwischen viele Millionen auf jedem Chip gibt, wäre ohne Quantenmechanik nicht denkbar, insbesondere wäre die Miniaturisierung, wie sie derzeit vorangetrieben wird, einfach nicht möglich.

Der Transistor basiert auf einem Halbleiter, der sich hauptsächlich aus Silizium zusammensetzt, in dem sich aber auch Atome anderer Elemente befinden, um die gewünschten Eigenschaften zu verbessern. Die Funktionsweise des Transistors ist aber immer dieselbe, es gibt eine Quelle, an welcher der Strom anliegt und eine Senke, über die er abfließen möchte, die durch einen in der Regel nichtleitenden Bereich getrennt sind. Die Eigenschaft des Halbleiters, unter bestimmten Umständen leitend zu werden, wird jetzt dadurch ausgenutzt, dass man an die Verbindung zwischen Quelle und Senke eine Spannung anlegt, das verändert die Leiteigenschaften des Halbleiters so, dass jetzt ein Strom fließen kann.

Durch geschickte Verschaltung von vielen dieser kleinen Transistoren kann man dann logische Schaltkreise aufbauen, aus denen sich der Computerchip aufbaut. Die Winzigkeit der Bauteile führt aber noch zu einem ganz anderen quantenmechanischen Problem. Liegen die Leiter sehr dicht zusammen, können Elektronen in benachbarte Leiter tunneln, d. h., sie borgen sich kurzfristig etwas Energie aus dem Heisenberg’schen Unbestimmtheitsprinzip, das besagt, dass man Energie und Ort nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit bestimmen kann. Das führt zu Leckströmen und Verlusten, die es immer schwieriger machen, noch kleinere Strukturen zu erzeugen, aber bisher sind die Hindernisse noch alle paar Jahre überwunden worden.

Aber Quantentechnik steckt nicht nur in CD-Spielern und Computern, auch aus der Medizin ist sie nicht wegzudenken. Abgesehen vom Laser, der inzwischen fast überall eingesetzt wird, nutz man die Quantenmechanik auch in der Diagnose. Insbesondere das Magnetenzephalogramm (MEG), das Vorgänge im Gehirn sichtbar macht, basiert auf einem quantenmechanischen Effekt. Beim MEG werden die Magnetfelder im Gehirn gemessen, die auftreten, wenn sich die Ladungen in den Axonen der Nervenzellen bewegen - eine bewegte Ladung erzeugt schließlich ein Magnetfeld, wie wir seit Maxwell wissen. Die auf diese Weise im Gehirn entstehenden Magnetfelder sind aber extrem schwach (10^-15 Tesla), deshalb kann das Magnetenzephalogramm nur in einem gut abgeschirmten Raum aufgenommen werden. Die extrem schwachen Magnetfelder werden hier von SQUIDs (Superconducting QUantum Interference Device - supraleitende Quanteninterferenzeinheit) gemessen, dieser besteht aus einem supraleitenden Ring, der an einer oder zwei Stellen durch einen normalleitenden Bereich unterbrochen ist. Diese Bereiche sind so schmal, dass die Elektronenpaare (die bei der Supraleitung auftreten) hindurchtunneln können.

Der magnetische Fluss ist quantisiert, das heißt, es können nur ganzzahlige Vielfache der magnetischen Flussquantenzahl auftreten, legt man an den Ring eine Spannung an, kann man die Änderung des magnetischen Flusses messen. Die Vorteile des MEG liegen vor allem in seiner hohen zeitlichen Auflösung, d. h., man kann sehr schnell messen und ist nicht auf den Stoffwechsel angewiesen, wie z. B. bei der Positronen Emissionstomografie (PET). Wobei die PET natürlich auch auf Quantenmechanik zurückgreift, immerhin basiert sie auf dem Zerfall eines radioaktiven Elements, und das ist Quantenmechanik in Reinkultur.

Aber auch das inzwischen weit verbreitete Verfahren der Magnetresonanztomografie basiert auf der Anregung von Elektronen, die durch ein starkes Magnetfeld aus ihrer Rotationsrichtung gekippt werden und beim Zurückschwingen eine charakteristische Strahlung aussenden, die gemessen wird, und Rückschlüsse auf die Verteilung des Wasserstoffs im Körper zulässt - Wasserstoff reagiert hier am stärksten.

Deshalb ist die MRT eine ideale Ergänzung zur Röntgentomografie, die empfindlich auf die Dichte reagiert und Knochen sehr gut darstellt, während MRT eher auf Weichteile anspricht und Organe, Hohlräume und Gewebe zeigt. 

Die Quantentechnik ist damit schon längst Bestandteil unseres täglichen Lebens, sei es in der Unterhaltungsindustrie und vor allem da, wo extrem genau gemessen werden muss, und sie wird nicht erst mit dem Quantencomputer Einzug in unsere tägliche Arbeitswelt haben.

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