"Quanten ist die Theorie des Ganzen"

Vincenzo Savona, Professor am Labor für theoretische Physik der Nanosysteme an der EPFL, ist in den Topf der Quantenphysik gefallen, weil er die Funktionsweise von Halbleitern verstehen wollte. Er unterrichtet seit über 20 Jahren Studentinnen und Studenten in diesem Fach.

Wie verbinden sich Quanten- und klassische Physik in Ihrem Unterricht?

Ich betone gerne, dass die klassische Physik ein Zweig der Quantenphysik ist und nicht umgekehrt. Die Quantentheorie wurde vor genau 100 Jahren festgelegt und wir wissen, dass sie in der Lage ist, absolut alles zu erklären, was unser tägliches Leben betrifft. Die Gleichungen, die unsere Umwelt beschreiben, wurden 1925 aufgeschrieben und sind auch heute noch vollkommen gültig.

Aber warum wird dann immer noch klassische Physik gelehrt?

Aus einem vor allem praktischen Grund: Die klassische Physik eignet sich nach wie vor hervorragend zur Beschreibung vieler Phänomene, für technische Berechnungen, für Simulationen und zur Erklärung vieler Dinge. Und ihre Gleichungen haben den Vorteil, dass sie leichter zu handhaben sind als die Gleichungen der Quantenphysik, weshalb sie für viele Anwendungen ausreichen. Doch Max Planck stellte bereits 1900 die Hypothese auf, dass die Quantentheorie in der Lage sei, zusätzlich das zu erklären, was sich den Theorien von Newton und Maxwell entzieht. 25 Jahre lang arbeiteten Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli und Erwin Schrödinger an dieser Hypothese und stellten die Gleichungen auf, die man als Grundlage der theoretischen Quantenphysik betrachtet.

Soweit die Geschichte... Aber auch ein Jahrhundert später gibt es für Quantentheoretiker wie Sie noch viel zu tun!

Das ist unbestreitbar. Und genau das ist das Schöne an der Quantenphysik: Wir wissen, dass sie alles erklären kann, sie ist die Theorie von allem, was Materie und Licht enthält. Sie bietet einen grösseren Werkzeugkasten als die klassische Physik, aber wir sind noch nicht in der Lage, jedes dieser Werkzeuge vollständig zu beherrschen. Es gibt Phänomene, von denen wir wissen, dass sie mithilfe der Quantenphysik erklärt werden können, aber die richtigen Gleichungen sind noch nicht gefunden worden.

Zum Beispiel?

Eine der grössten Herausforderungen für Physiker wird es sein, eine Theorie zu entwickeln, die die Quantenphysik und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die das Phänomen der Gravitation beschreibt, vereint. Man hat viele Fortschritte gemacht, aber es ist immer noch nicht gelungen, eine einheitliche Theorie zu entwickeln. Ein anderes Beispiel, das viel näher an unserem Alltag liegt, ist der Mechanismus, der die Hochtemperatur-Supraleitung verursacht, die wir noch nicht vollständig verstehen, die wir aber für viele Anwendungen nutzen, wie unter anderem die Magnetresonanztomographie.

Die Quantenphysik betrifft also nicht nur das unendlich Kleine?

Man neigt dazu zu denken, dass sie nur für Atome, Elektronen und Photonen gilt, aber das ist nicht richtig. Wir wissen zum Beispiel, dass Materie nur aufgrund der Gesetze der Quantenphysik stabil sein kann. Nach der klassischen Physik würde ein Elektron, das um sein Atom kreist, Energie verlieren und innerhalb einer Nanosekunde auf das Atom stürzen, was einen totalen Zusammenbruch der Materie zur Folge hätte. Nur die Quantenphysik kann erklären, warum dies nicht der Fall ist. In noch grösserem Massstab kann man in den Instabilitäten der kosmischen Hintergrundstrahlung die Anzeichen einer Quantenmanifestation messen, die während des Urknalls entstanden ist.

Welche Anwendungen gibt es für die Quantenphysikforschung jenseits der reinen Theorie?

Es gibt viele. Am meisten wird an der EPFL in den Bereichen Quanteninformatik, -kommunikation, -simulation und -sensorik gearbeitet.

Ist dieser Bereich trotz seiner Komplexität für viele junge Menschen attraktiv?

Ja, ich muss zugeben, dass mein Masterkurs in Quanteninformatik ein grosser Erfolg ist. Wir erhalten sehr viele Anfragen für Masterprojekte in diesem Bereich. Glücklicherweise bietet uns das Zentrum für Quantenwissenschaften und -technik der EPFL (QSE Center) Zugang zu zahlreichen Partnern, darunter auch Unternehmen, sodass wir diese Wünsche erfüllen können.

Die Beherrschung des Quantencomputings zu erreichen, ist genauso ehrgeizig wie die Eroberung des Mondes.

Vincenzo Savona, Professor am Laboratorium für theoretische Physik der Nanosysteme an der EPFL

Ist die EPFL in diesem Bereich besonders gut?

Ja, ganz klar. Es ist seit mindestens zehn Jahren ein Schwerpunktbereich, und seither wurden etwa zehn neue Professoren und Professorinnen ernannt. Die Gründung des QSE-Centers im Jahr 2021 war ein Meilenstein, und die Einführung eines neuen Masterprogramms in Quantenwissenschaft und -technik im darauffolgenden Jahr fand sofort Anklang. Hinzu kommt, dass das bald zu errichtende Advanced Science Building den Wissenschaftlern die Möglichkeit bieten wird, unglaublich leistungsfähige Geräte zu nutzen, was uns erhebliche Vorteile für unseren Fortschritt verschaffen wird. All dies führt dazu, dass die Schule - und generell die Schweiz - in den oben genannten Anwendungsbereichen international sehr gut aufgestellt ist. Wir sind auch dabei, die Forschung im Bereich der Quantenalgorithmen stark auszubauen, ein Feld mit einer enormen Reichweite.

Wir entwickeln Algorithmen, bevor wir die Maschinen haben

Ich vergleiche die Forschung im Bereich Quantencomputer und -rechnen mit der Pionierarbeit bei der Entwicklung der Elektronik in den 1940er Jahren, und man sieht, wie sie sich in wenigen Jahrzehnten entwickelt hat. Auch die Entwicklung von Quantencomputern schreitet rasant voran. Es gibt heute mehrere parallele Ansätze, viele Prototypen und es ist noch nicht klar, welche Technologie sich durchsetzen wird. Wir wissen jedoch, dass wir einige Herausforderungen wie die Korrektur von Quantenfehlern angehen und Software entwickeln müssen, die speziell auf die Funktionsweise von Quantencomputern zugeschnitten ist, um diese zu testen.

Wozu werden Quantencomputer dienen?

Es geht nicht nur darum, Maschinen zu bauen, die schneller sind als die heutigen, sondern um einen Paradigmenwechsel in der Informationsverarbeitung. Viele nützliche Rechenaufgaben können mit herkömmlichen Computerarchitekturen niemals bewältigt werden, da sie Ressourcen und Rechenzeit benötigen, die exponentiell mit der Grösse der zu lösenden Aufgabe ansteigen. Quantencomputer werden in der Lage sein, einige dieser Aufgaben wesentlich effizienter zu bearbeiten. Der Quantenansatz eignet sich zum Beispiel hervorragend für die numerische Simulation von Materie. Er ist auch effizienter für Optimierungsberechnungen, da er in der Lage ist, viel mehr Informationen parallel zu verarbeiten. Es wird auch - insbesondere Zoë Holmes an der EPFL - das Quantum Machine Learning entwickelt, das die künstliche Intelligenz noch einmal drastisch weiterentwickeln könnte.

Stehen die beiden Ansätze - KI und Quanteninformatik - in Konkurrenz zueinander?

Sie entwickeln sich parallel und befruchten sich gegenseitig, was zu bemerkenswerten Fortschritten führt. Ingenieure nutzen KI zum Beispiel, um das Design von Quantencomputern zu verbessern.

Warum haben Quantencomputer überhaupt diese erstaunlichen Formen?

Damit Quantenchips funktionieren, müssen sie in speziellen Kühlschränken auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) gekühlt werden. Die Informationsübertragung zwischen dem Äusseren und dem Inneren dieser Kühlschränke erfolgt durch Mikrowellen, und diese charakteristischen Röhren sind in Wirklichkeit Mikrowellenleiter. Mein Kollege Tobias Kippenberg versucht jedoch, Wandler zu entwickeln, die im "Kühlschrank" funktionieren und die es ermöglichen würden, Glasfasern bis zum Kern des Systems zu verwenden. Wenn ihm das gelingt, wäre das ein gewaltiger Technologiesprung.

Wie lange wird es dauern, bis die ersten Anwendungen in grossem Massstab verfügbar sind?

Jeder, der ein Datum nennt, sollte nicht ernst genommen werden. Es handelt sich um ein globales, kollaboratives Projekt, das meiner Meinung nach mit der Eroberung des Mondes vergleichbar ist Wir kennen das Potenzial des Quantenansatzes und haben daher die moralische Pflicht, ihn weiterzuentwickeln. Wir wissen, dass wir dabei viele Misserfolge erleben werden, viele Wege, die wir nicht weiterverfolgen können, aus denen wir aber viel lernen können. Ich denke, man kann eine Wette à la Pascal abschliessen: Man hat nichts zu verlieren, wenn man daran glaubt, also muss man alles tun, um es zu erreichen.

Cybersicherheit: "Wir sind nicht zur Katastrophe verurteilt "

Sind Quantenwissenschaften eine Bedrohung für die Datensicherheit?

Alle paar Monate schlägt eine Welle von Schlagzeilen in der Presse Alarm. Quantencomputer stehen angeblich kurz davor, unsere digitale Sicherheit zu zerstören; in drei, fünf oder sogar zehn Jahren sollen Quantenmaschinen stark genug sein, um die kryptografischen Säulen des Internets zu durchbrechen. Mit anderen Worten: Alles könnte Öffentlich zugänglich gemacht werden - Ihre WhatsApp-Nachrichten ebenso wie Ihre Kreditkartentransaktionen.

Im Zentrum dieser Bedenken steht die RSA-Kryptografie mit Öffentlichen Schlüsseln. Es ist ein sehr weit verbreitetes System. Seine Prinzipien beruhen auf der Schwierigkeit, grosse ganze Zahlen zu faktorisieren - eine Aufgabe, die als ausserhalb der Reichweite herkömmlicher Computer liegend gilt. Shors brillanter Quantenalgorithmus kann diese Zahlen jedoch theoretisch exponentiell schneller faktorisieren als jede andere herkömmliche Methode. Er könnte in der Tat das RSA-System obsolet machen.

Also müssen wir in Panik geraten?

Das glaube ich nicht. Erstens hat sich die kryptografische Gemeinschaft jahrelang vorbereitet. Wissenschaftler haben eine ganze Generation von sogenannten "postquantiken" kryptografischen Algorithmen entwickelt, die auf mathematischen Problemen beruhen, die selbst Quantencomputer nicht lösen können. Einige dieser Algorithmen wurden in den USA bereits vom National Institute of Standards and Technology (NIST) als Standards eingeführt. Sollte der Moment der Wahrheit kommen, dürfte die Ersetzung von RSA-Systemen durch Postquanten-Alternativen in den meisten Fällen nicht mehr als ein Software-Update erfordern.

Zweitens ist die Art des Quantencomputers, der benötigt wird, um das RSA-System zu durchbrechen, noch reine Theorie. Schätzungen zufolge wären dazu etwa eine Million hochqualitativer Qubits erforderlich, die in perfekter Harmonie zusammenarbeiten würden. Die derzeitigen Geräte sind von dieser Grössenordnung weit entfernt. Eine solche Einheitlichkeit und Kontrolle zu erreichen, ist eine der grössten technischen Herausforderungen auf diesem Gebiet.

Selbst wenn eine solche Maschine jemals gebaut werden sollte, gibt es noch ein letztes Hindernis: Die Lösung eines schwierigen Faktorisierungsproblems ist nicht dasselbe wie die Lösung des RSA-Problems. Die RSA-Zahlen sind so konstruiert, dass sie selbst für Quantenalgorithmen am schwierigsten zu knacken sind.

Also nein, wir sind nicht zur Katastrophe verdammt. Noch nicht und wahrscheinlich auch nicht in naher Zukunft. Die Welt der Kryptografie entwickelt sich weiter und Quantencomputer sind trotz all ihrer Versprechungen keine unerbittliche Macht - zumindest nicht jetzt. Im Moment schlafe ich gut, und Sie sollten das auch tun.

Verweise

Dieser Artikel erschien in der September-Ausgabe 2025 des Magazins Dimensions, das mit ausführlichen Dossiers, Interviews, Porträts und Nachrichten die Spitzenleistungen der EPFL hervorhebt. Das Magazin wird auf dem Campus der EPFL kostenlos verteilt.