Wundersame Welt der Quantentechnologien
Das neue Fachergänzungsmodul Quantentechnologien im Studiengang Elektro- und Informationstechnik nimmt die Studierenden mit auf eine faszinierende Reise in die Zukunft der Ingenieurwissenschaften.
von Prof. Dr. Christoph Wildfeuer
 |
Prof. Dr. Christoph Wildfeuer absolvierte sein Physikstudium in Bonn und Siegen (Deutschland) und promovierte 2003 an der Universität Siegen im Bereich Quantentechnologien. Er forschte in den USA an renommierten Instituten auf dem Gebiet der Quantensensoren und -kryptographie. Seit 2015 lehrt er an der Hochschule für Technik FHNW in Windisch und ist seit 2019 Professor für Sensortechnik. |
Das Fachergänzungsmodul «Quantentechnologien» (Kürzel «qtec») ist mit grossem Erfolg im Frühlingssemester 2023 gestartet. Es führt Studierende der Studiengänge Elektro- und Informationstechnik sowie Informatik in das wohl faszinierendste und zukunftsweisendste Gebiet der Ingenieurwissenschaften ein.
Rückblickend: Die erste Quantenrevolution ermöglichte Technologien wie Transistoren und Laser, basierend auf den Grundprinzipien der Quantenmechanik. Heute führt die zweite Revolution in eine Ära, in der Quantenphänomene wie Verschränkung und Überlagerung zur Entwicklung bahnbrechender Technologien wie Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quantensensoren genutzt werden – alles Kernthemen des neuen Moduls.
Leistung heutiger Quantencomputer
Quantencomputer (siehe Abb. 1) übertreffen herkömmliche Computer in der Simulation komplexer molekularer und chemischer Reaktionen, was entscheidend für die Entwicklung neuer Materialien und Medikamente ist. Ihre Eignung, hoch vernetzte Optimierungsprobleme zu lösen und maschinelles Lernen zu beschleunigen, eröffnet neue Horizonte für Logistik, Fertigungstechnik und Finanzmodellierung und verspricht eine Revolution in der Entwicklung künstlicher Intelligenz.
Zum Beispiel erlauben die mit Quantencomputern durchgeführten Simulationen im Bereich der Klimaforschung und Umweltwissenschaften ein vertieftes Verständnis der Naturphänomene. Auf ihnen können globale Umweltsysteme sowie die Auswirkungen des Klimawandels berechnet werden, aus denen sich wiederum Gegenstrategien entwickeln lassen. Ein wichtiger Diskussionspunkt ist zudem die Fähigkeit von Quantencomputern, aktuelle Verschlüsselungssysteme zu brechen, was die Notwendigkeit von neuen, quantensicheren Verschlüsselungsalgorithmen (siehe Technology Outlook «Quanten- und Postquantenkryptographie» der SATW) offenbart.
Themenschwerpunkte des Moduls
Das Modul vermittelt zentrale Konzepte wie verschränkte Quantensysteme und die Überlagerung von Quantenzuständen anhand greifbarer Beispiele. Dabei geht es darum, nicht nur formales Wissen anzueignen, sondern dieses mit praktischen Übungen und Aufgaben zu verknüpfen. Dies vertieft das Verständnis, warum Quantencomputer bei bestimmten Problemstellungen so überlegen sind.
Ein Interferometer (siehe Abb. 2) misst die Phasenverschiebung zwischen zwei Strahlen. Dadurch lassen sich Abstandsmessungen präziser als mit herkömmlichen Inferometern durchführen.
Um in diese faszinierende Welt eintauchen zu können, ist es essentiell, dass die Studierenden verstehen, wie ein Quantencomputer grundsätzlich aufgebaut ist und funktioniert.
Auf einem Quantencomputer können Dinge berechnet werden, die auf einem klassischen Supercomputer unmöglich sind. Dafür verantwortlich ist die Systemarchitektur basierend auf der Verschränkung von Quantenbits in Form von Schaltkreisen (siehe Abb. 3). Diese sind eine besondere Form von Bits, also 1 oder 0.
Den Studierenden des ersten Kurses hat das Modul gefallen, wie ihre Rückmeldungen bezeugen. Sie betonen, dass der neue und doch sehr komplexe Stoff in verständlicher Weise vermittelt wurde. Gelobt haben sie insbesondere, dass ein Gastreferent von IBM eingeladen worden war, der über das sehr wichtige Thema der Quanten-Fehlerkorrektur vorgetragen hat.
Ein Quantencomputer zum Üben
Im kommenden Frühjahrssemester 2024 werden die Studierenden nicht nur Zugang zu IBM-Quantencomputern in der Cloud haben, sondern als besonderes Highlight auch die Möglichkeit, einen echten Quantencomputer (siehe Abb. 4) vor Ort zu untersuchen und spezielle Aufgaben damit zu lösen.
.
Mit diesem Computer können die Studierende praktische Erfahrungen sammeln, z. B. Quantenbits manipulieren und einfache Quantenalgorithmen ausführen.
Kommentare
Keine Kommentare erfasst zu Wundersame Welt der Quantentechnologien