23.01.2024

Quantentechnologien

Rainer Müller und Franziska Greinert: Quantentechno­logien – Für Ingenieure, De Gruyter, Oldenburg 2023, geb., 236 S., 49,95 Euro, ISBN 9783110717198

Rainer Müller und Franziska Greinert

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Quantentechnologien

Quantentechnologien versprechen eine Revolution in der Informations- und Kommunikationstechnik, gelten aber als unanschaulich und schwierig zu verstehen. Die Grundlagen und das Anwendungspotenzial der Quantentechnologien Interessierten nahezubringen, stellt daher ­eine didaktische Herausforderung im Grenzbereich zwischen Physik, Elektrotechnik, Informationstechnik und Informatik dar. Diese Aufgabe haben Rainer Müller und Franziska Greinert mit Bravour gemeistert, die beide im Bereich der Physikdidaktik arbeiten. Ihr Buch bietet eine faszinierende Reise von den Grundlagen der Quantenphysik und den Quantentechnologien bis hin zu den Anwendungen. Anschauliche Erläuterungen gehen Hand in Hand mit einer schrittweisen Einführung des notwendigen mathematischen Gerüstes.

Das Buch beginnt mit einer kurzen Übersicht über die Quantentechnologien – quasi als Vorspeise – und erläutert etwas knapp einige Konzepte der Quantenphysik, mit Fokus auf die physikalischen Grundlagen aktueller Quanten-Bits. Überzeugend ist das anschließende Kapitel 3 „Umgang mit der Quantenphysik“. Das wohlbekannte Doppelspaltexperiment und die von Grangier, Roger und Aspect eingeführten Antikoinzidenz-Experimente dienen als Beispiele, um schrittweise die Grundregeln der Quantenphysik zu veranschau­lichen. Diese Experimente eignen sich hervorragend, um das mathematische Gerüst der Quantentechnologien zu entwickeln. Hier ist es gelungen, komplexe Konzepte der Quantentechnologien, wie Dekohärenz, quantenmechanischer Mess­prozess, Bellsche Ungleichung und Verschränkung, leicht verständlich zu vermitteln, ohne die Präzision in der Darstellung zu verlieren. Dieses Kapitel liest sich wie ein spannendes Abenteuer und lässt die Innovationskraft der Quantentechnologien erahnen. 

Die Kapitel 4 bis 6 behandeln die Hauptanwendungsfelder der Quantentechnologien in der Sensorik, der Kommunikation und dem Computing. Anhand klug gewählter Beispiele und instruktiver Gedankenexperimente sollte es Lesenden leichtfallen, Potenzial und Grenzen von Quantenmessungen nachzuvollziehen. Sehr geschickt verdeutlicht das Autorenduo den Unterschied zwischen klassischer Information und Quanteninformation und widmet sich einigen der spektakulärsten Entwicklungen für abhörsichere Informationsübertragung – Quantenkryptographie und Quantenteleportation. Das etwas anspruchsvollere Kapitel über Quantencomputer und -algorithmen rundet das Buch ab. Als klug erweist sich das Vorgehen, dieses komplexe Thema basierend auf den Prinzipien klassischer Computer und klassischer Gatter zu vermitteln und schrittweise die Funktion von Quantencomputern einzuführen. Geschickt gewählte Algorithmen, wie die von Grover und Shor, verdeutlichen die Überlegenheit von Quantencomputern gegenüber deren klassischen Pendants. Trotz der schwierigen Thematik ist die Symbiose von anschaulicher, leicht verständlicher Darstellung und exakter mathematischer Beschreibung ausgezeichnet gelungen.

Das Buch überzeugt durch eine klare und übersichtliche Struktur und eine durchgehend einheitliche Darstellung und Nomenklatur. Zentrale Aussagen sind blau markiert, Informationsblöcke vertiefen Beispiele, und Übungsaufgaben mit entsprechenden Lösungen laden zur mathematischen Nachbereitung ein. Gelungene Grafiken, kombiniert mit ausgewählten Originalarbeiten, vermitteln anschaulich die teilweise komplexen Zusammenhänge. Relevante Zitate der Originalarbeiten sind in einer Literaturliste zusammengefasst.

Das Buch kann ich wärmstens und ohne Einschränkung empfehlen. Wertvoll ist es für Studierende, die sich auf dieses zukunftsträchtige Arbeits­gebiet vorbereiten möchten, spannend und lehrreich für Praktiker, die sich beruflich mit Quanten­technologien auseinandersetzen wollen­ und informativ für Lesende mit Interesse an diesem Zukunftsthema.

Prof. Dr. Gerd Bacher, U Duisburg-Essen

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