Do you think quantum technologies can stop wars? And also, can quantum technologies be used by us in the future?

Quantum technologies, like any other technology, can be used for good and bad purposes. Scientists always hope that politicians and, in the last term, society, will regulate their use so that it only adds benefits to society and, in this sense, are used to stop wars and any other kind of violence.

Regarding if they will be used by us in the future, yes, I am sure about that. This will not happen from a day to the next, but they will be slowly and continuously introduced in our lives.

- Ignacio Cirac, Director at the Max Planck Institute of Quantum Optics

What are the most concerning applications of quantum technology in the near future? Weaponization? Military or security applications?

One major concern is the impact on cryptography. Quantum computers could break widely used encryption methods. This capability would compromise the security of sensitive data, including military communications, financial transactions, and personal information. Quantum sensing and imaging technologies also pose strategic challenges. These technologies have the potential to create extremely sensitive detection systems, which can give great advantages to science but also enable to track stealth aircraft, detect submarines, and improve radar systems. Such advancements could undermine existing stealth technologies and shift the balance of military power, potentially leading to a new arms race as nations strive to maintain strategic advantages. In the realm of quantum communications, the development of unhackable quantum communication networks could give certain nations a significant edge in secure communications. This would enhance their ability to conduct intelligence operations and coordinate military activities without the risk of interception.

However, the same technology could also be used to develop secure communication channels for malicious activities, complicating efforts to combat terrorism and other security threats. Furthermore, quantum-enhanced artificial intelligence (AI) poses dual-use risks. Quantum computing could significantly accelerate AI and machine learning, leading to advancements in autonomous weapons, sophisticated cyberattacks, and enhanced surveillance systems. The ethical and security implications of such technologies are profound, as they could lead to increased automation in warfare and more invasive surveillance, raising concerns about privacy and human rights. Addressing these risks proactively is crucial to ensuring that the advancements in quantum technology contribute to global security and stability rather than exacerbating threats and conflicts.

- Julia Draeger, PhD student at TUM

Ist es nicht auch wichtig, über die Bedeutung der Technologien zu sprechen? Wohin führen uns Datenmengen in kürzester Zeit transportiert und gespeichert? Verantwortung der Wissenschaft?

Die Beförderung und Speicherung von großen Datenmengen ist zur Zeit keine Anwendung von Quantentechnologien.

Darüber hinaus gibt es am Anfang eines Projektes immer zwei Fragen: “Können wir das Angestrebte erreichen?“ und “Sollten wir Angestrebte erreichen?”. Letztere versucht die gesellschaftliche Relevanz und Verantwortung der Forschung zu ergründen. Diese Frage ist derart wichtig, dass bei nahezu jeder wissenschaftlichen Veröffentlichung versucht wird, diese Frage zu beantworten.

- Timo Sommer, Doktorand an der TUM

Could we imagine a future where quantum computers are normal and everyone has one of them? If yes in how much time and how would we be able to cool such a computer in the case of a regular laptop?

At this moment, we cannot tell for sure. However, the idea seems to be that most people will be able to access the “cloud” and connect to a quantum computer that is owned by a company (Google, IBM etc). Quantum computers become useful only for very big problems that maybe companies could have (for example, optimal routing of the electrical network in Germany), but for small scale problems (such as going from your house to a restaurant as fast as possible) classical computers are already very fast, so it will not be very useful to own one.

- Daniel Molpeceres, PhD student at TUM

Gibt es bereits Produkte für jedermann, die Quantenphänomene nutzen?

Ja! Tatsächlich überraschend viele (man könnte wahrscheinlich auch argumentieren, dass fast alle Prozesse auf Quantenphänomenen basieren). Ein schönes Beispiel von etwas, was jeder kennt, sind Magnete!

Viele Atome, und auch ihre Bausteine wie Protonen, Neutronen und Elektronen haben eine Eigenschaft, die sich Spin nennt. Das kann man sich vorstellen, also würden sie eine kleine Kompassnadel mit sich herumtragen. In einem ferromagnetischen Material, wie zum Beispiel Eisen, haben die Atome einen solchen Spin. Bei sehr hohen Temperaturen, für Eisen sind die Temperaturen über 770 Grad Celsius, sind diese Spins alle ungeordnet und Eisen ist ein Paramagnet. Bei Temperaturen unter 770 Grad, ist Eisen aber ferromagnetisch.

Das heißt, die Spins zeigen alle in eine Richtung. Man spricht dann von einer endlichen Magnetisierung. Solche Materialien können von einem Permanentmagneten magnetisiert werden und werden von diesem dann angezogen.

- Dr. Johanna K. Jochum, Wissenschaftlerin am Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz

Wie können Quantentechnologien dabei helfen, die Probleme unserer Welt (z.B. Klimakrise) zu bewältigen?

In der Klimaforschung werden rechenintensive Berechnungen benötigt, da das Klima ein sehr komplexes System ist, welches man nur mit viel Rechenleistung versuchen kann, realitätsnah zu simulieren. Vielleicht könnte ein Quantencomputer einige Algorithmen zu komplexen Simulationen wie dem Klima deutlich beschleunigen. Aber meiner Meinung nach haben wir schon genug Wissen darüber, dass der Mensch sein Verhalten ändern muss, um das Klima noch zu retten. Vielleicht könnte man jedoch mit neuer Rechenleistung einige Szenarien besser abschätzen, um größere Katastrophen besser vermeiden zu können. Außerdem können mithilfe der Quantentechnologien präzisere Sensoren entwickelt werden, die uns mehr Daten liefern könnten, z.B. aus der Messung des Magnetfeldes oder des Gravitationspotentials in der Geodäsie. Quanten-Sensoren könnten aber auch in der Medizin Anwendung finden. Ein anderes Feld der Quantentechnologien ist die Quanten-Kryptografie, bei der es uns gelingen könnte, für mehr Sicherheit und Schutz vor Internet-Angriffen zu sorgen.

– Dr. Vitaly Wirthl, Postdoktorand am Max Planck Institute für Quantenoptik

What is the biggest impact Quantum physics can have on the world?

The most significant impact of Quantum physics is likely to be on biological sciences. We're talking about potentially achieving the near eradication of all diseases and the complete decoding of the human brain. The consequences of such advancements are truly unimaginable. Biological and medical fields have historically been, and continue to be, the primary concerns for most people due to their direct influence on human health and well-being.

While quantum computing holds the promise of revolutionizing many other fields, such as cryptography, material science, and logistics, its implications for biology and medicine are particularly profound. Through quantum computers, we may one day be able to simulate complex biological systems with unprecedented accuracy. This includes simulating the brain's neural networks, which could lead to a deep and comprehensive understanding of consciousness, cognition, and mental disorders.

Moreover, with a thorough understanding of quantum mechanics, we could potentially unlock the mysteries of the human brain at a molecular level, leading to groundbreaking treatments for neurological diseases, mental health conditions, and even the enhancement of human cognitive abilities.

Such advancements will deeply affect our society, shaping it in ways we can't fully predict or imagine. We hope these changes will be for the greater good.

- Mohamed Moez Abid

Was bringt den Menschen die Forschung an der Quantenphysik? Könnten wir nicht auch ohne sie leben?

Ohne Quantenphysik würde leider die Sonne nicht strahlen. Ohne die Quantenphysik können wir also nicht leben, doch können wir ohne die Forschung an der derselbigen leben?

Da dieses Forschungsfeld recht jung ist, muss man sagen, dass die Menschen lange Zeit ohne sie leben konnten. Dennoch ermöglichen uns Erkenntnisse der Quantenphysik sehr wichtige technologische Fortschritte. Bspw. hat uns das Verständnis über die Vorgänge in Halbleitern ermöglicht, Prozessoren und damit auch Computer zu bauen. Dazu ist die Quantenphysik entscheidend. Auch Laser und einige medizinische Messgeräte basieren auf Quanteneffekten. Letztlich hilft das Verständnis über die Quantenphysik auch chemische oder biologische Prozesse besser zu verstehen.

– Lukas Schleicher, Doktorand an der TUM

What would the world be like, if we hadn’t discovered quantum? - Fabiana, Italy

Extremely different! Much of our understanding of materials over the last 100 years has been dependent on quantum theory, which continues to be applied in countless ways. We wouldn’t have computers or smartphones that rely on our understanding of semiconductors, for starters!

– Emily Haworth, Sustainability Initiative Founder at PushQuantum

Is there an imminent danger of making quantum computers publicly accessible and thus corrupting current cryptography practices?

They’re already publicly accessible! You can play around with them without any worries however - they’re still much too small and noisy to pose any danger. A lot of brilliant ingenuity is going into improving them though, so there is simultaneous work on alternative cryptography solutions.

– Emily Haworth, Sustainability Initiative Founder at PushQuantum

Will quantum physics help to solve or find solutions to climate change? Are there maybe already findings?

Indeed quantum physics has been key to our understanding of why climate change is happening and also underpins many solutions, such as solar panels. Science has been offering continued understanding and solutions for decades now. It lies outside the realms of science to ensure these findings are acted upon.

– Emily Haworth, Sustainability Initiative Founder at PushQuantum

Can quantum physics help us understand if anything is ever truly “random”?

The randomness in quantum mechanics seems to be truly random for all intents and purposes. Let us first consider a normal everyday coin flip. One would usually call this flip, or rather the outcome, random. However, it is not actually random; it is merely very hard to predict. If we had all the information about the initial state of the coin’s environment available (for example, throw strength, the exact density of the coin, wind strength and direction, and much more), we could use the classical mechanic's equation to predict the outcome.

On the other hand, we have the randomness of quantum physics coming into play once we measure a state. If the state is in a so-called superposition, it is in some way in two distinct states simultaneously. So, a quantum coin would be both heads and tails. Once we measure the coin, the result will be one of the two distinct states. There is no way to predict the outcome, even if we have all the information available. This effect is actually used to generate truly random numbers for a variety of uses.

– Richard Milbradt, Phd at TUM-CIT, MQV-HAT & PushQuantum

How has quantum physics bettered the world?

Quantum physics is the basis of many technologies we take for granted these days. This includes Lasers, LEDs (blue ones are surprisingly difficult to build), and various medical screening tools, such as MRI or CT scanners. I would argue that these technologies have certainly made the world a better place. However, quantum physics is also the fundamental theory required to build nuclear weapons. So, as with any other knowledge and technology, it is up to us humans to decide how we use quantum physics and the resulting technologies to improve the world.

– Richard Milbradt, Phd at TUM-CIT, MQV-HAT & PushQuantum

Wenn wir aus Atomen bestehen, die sich alle gar nicht wirklich berühren, existieren wir dann überhaupt?

Antwort 1: Die Atome, aus denen wir bestehen, setzen sich zusammen aus einem Kern und einer äußeren Elektronenhülle. Die Elektronen in der Hülle haben in einer Beschreibung durch die Quantenmechanik allerdings keine feste Position, sondern bilden vielmehr eine Art „Elektronenwolke“. Diese Wolken benachbarter Atome reichen auch ineinander hinein und wechselwirken miteinander. So ergeben sich Kräfte zwischen Atomen, welche diese z.B. zu Molekülen binden können.

– Mirco Troue, Doktorand am Walter Schottky Institut, TUM

Antwort 2: Zunächst ist die Frage nach unserer Existenz in erster Linie eine philosophische und keine naturwissenschaftliche. In der Physik können wir die Natur nur beschreiben, fragen also nach dem "Wie?". Die Frage nach der Existenz gehört eher zur Kategorie “Warum?” und “Wer?”, die mit unserem Glauben und der Weltanschauung zusammenhängen. Manchmal setzen wir bei der Denkweise der Fragen unbewusst eine Weltanschauung voraus, wie es mir bei dieser Frage scheint, die davon ausgeht, dass es nur eine materielle Realität gibt (d.h. dass wir tatsächlich nur aus Atomen bestehen und es keine übernatürliche oder geistige Realität gibt), d.h. eine materialistische Weltanschauung. Ob diese Weltanschauung wahr ist oder nicht, ist eine Frage außerhalb der Naturwissenschaften. Ich finde es spannend, dass nicht nur die Philosophie (siehe z.B. C. S. Lewis im Buch über “Wunder”), sondern auch die moderne Physik den Materialismus durchaus in Frage stellt: es ist tatsächlich komisch, dass die “Materie”, aus der die Natur besteht, scheinbar nicht “greifbar” ist. Elementarteilchen sind eigentlich, wie die Physik herausgefunden hat, gar keine “Teilchen” im Sinne eines unteilbaren Objekts, sondern Anregungen der Quantenfelder, die auf abstrakten Symmetrie-Prinzipien gründen (siehe z.B. Vortrag von W. Heisenberg). Hans-Peter Dürr, der Nachfolger von Heisenberg, hat sogar ein Buch geschrieben mit dem provokanten Titel “Es gibt keine Materie!”. Ich denke zwar, dass man den Begriff der Materie nicht “verbannen” sollte, weil es sich auf die physikalische Realität bezieht, die wir mit der Physik studieren können, und man sonst die Naturwissenschaft mit der Philosophie oder gar Religion vermischen würde, was die Gefahr eines unvernünftigen “esoterischen” Denkens mit sich bringt. Aber ich persönlich bin auch davon überzeugt, dass die materialistische Weltanschauung nicht sinnvoll ist, und bin während meines Physikstudiums zum christlichen Glauben gekommen.

– Dr. Vitaly Wirthl, Postdoktorand am Max Planck Institut für Quantenoptik

Was wird man niemals mit Hilfe der Quantenphysik herausfinden können?

Da die Quantenphysik noch ein aktives Feld in der Forschung ist, wissen wir nicht, wie weit die Forschung noch reichen kann. Daher ist es nicht wirklich möglich zu sagen, was “niemals” mit Hilfe der Quantenphysik herausgefunden werden kann.

Andererseits ist es so, dass die komplette Physik aufeinander aufbaut. Zum Beispiel finden zwar Newtons Gesetze in der Quantenphysik keine Anwendung, dennoch hat sich die Quantenphysik aus den Newtonschen Gesetzen und der daraus folgenden Forschung über viele Jahre entwickelt. Daher wird die zukünftige Forschung immer in gewisser Art und Weise auf der Quantenphysik beruhen. Das gilt auch, falls sich herausstellen sollte, dass Quantenphysik “falsch” ist, wie zum Beispiel Newtons Gravitation eine vereinfachte Darstellung der Gravitation, wie Einstein sie beschreibt.

- Florian Fertig, Doktorand an der LMU

Was ist der Raum zwischen Atomkern und Atomhülle? Die Energie, die uns erfüllt? Entstehen dort alle unsere Gedanken und Gefühle?

In der klassischen Vorstellung eines Atoms, dem sogenannten Bohrschen Atommodell, besteht der Atomkern aus Protonen und Neutronen, während die Elektronen in bestimmten Energieniveaus um den Kern kreisen. Man kann sich das Atom in diesem Modell wie eine Art Miniatur-Sonnensystem vorstellen, in dem die Elektronen wie Planeten um den Kern (die Sonne) kreisen. Der Raum zwischen dem Atomkern und der Atomhülle wird oft als leerer Raum betrachtet.

In der Quantenmechanik wird dieser Raum jedoch nicht als leer betrachtet. Stattdessen beschreibt man die Position der Elektronen durch Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die angeben, wo sich ein Elektron mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit aufhalten könnte. Diese Verteilung wird oft als Orbital bezeichnet. Die Elektronen sind also nicht in festen Bahnen wie Planeten um die Sonne angeordnet, sondern existieren in einem Zustand von Unschärfe und Wahrscheinlichkeit.

Die Idee, dass in dem Raum zwischen Atomkern und Atomhülle Gedanken und Gefühle entstehen, ist eher metaphorisch. Gedanken und Gefühle sind Produkte komplexer biologischer Prozesse im Gehirn, die auf neuronalen Aktivitäten (Signale zwischen Neuronen) basieren. In der Physik gibt es Konzepte wie die Quantenmechanik, die das Verhalten von Teilchen auf sehr kleinen Skalen beschreiben. Diese Konzepte sind aber nicht direkt mit dem menschlichen Bewusstsein oder Emotionen verbunden. Das Verständnis von Gedanken und Gefühlen erfordert eine interdisziplinäre Betrachtung aus Psychologie, Neurowissenschaften und Philosophie.

- Michelle Lienhart, Doktorandin an der TUM

Is it true that so far no one in this world has truly understood quantum physics?

One saying in physics is: “You will never truly understand quantum physics, you can only get used to it”. This refers to the weirdness of some quantum physics experiments. So people do the math, find matching results in the experiments and accept the fact that thighs might feel weird. However, it remains an active field of research, that means there are still many things to discover. So no quantum researcher can claim that she/he “truly understood everything in quantum physics”.

- Timo Sommer, PhD student at TUM

Kann es nicht sein, dass einfach ein Fehler gemacht wurde, der alles viel komplizierter macht und im Kern die ganze Sache simpel ist? Vgl. Galileo, als er entdeckt hat, dass die Sonne das Zentrum ist und alle verrückten Flugkurven Sinn gemacht haben.

Doch, das kann natürlich sein! Einerseits werden natürlich ständig Fehler gemacht, die auch ständig korrigiert werden. Dafür gibt es das Peer-Review-Verfahren. Hier veröffentlichen Wissenschaftler, was sie gemacht haben und andere Wissenschaftler suchen nach Fehlern. Manchmal fallen Fehler auch erst Jahre oder Jahrzehnte später auf. Dennoch können auch falsche Theorien helfen die Welt besser zu verstehen (man weiß ja dann wenigstens was nicht funktioniert).

Andererseits sorgt das Peer-Review dafür, dass sehr viele Menschen Theorien und Experimente überprüfen und testen. Dadurch werden Fehler ständig korrigiert. Zu Galileos Zeiten gab es ja viel weniger Menschen, weniger die überhaupt lesen und schreiben konnten. Außerdem war der Austausch viel schwieriger. Man musste sich noch Briefe schreiben und konnte nicht einfach über seine Wissenschaft online diskutieren. Es ist also sicher nicht alles perfekt, aber doch besser als damals.

Falls du übrigens den Fehler findest, den wir alle machen, solltest du dich unbedingt melden!

- Lukas Schleicher, PhD student at TUM

Does it run crysis (video game)?

So far unfortunately not and to me it feels like it will still take a while. Quantum Computers do have their incredible advantages, but for everyday applications normal computers are most likely here to stay. But maybe at some point in the future, a mad scientist will bring the meme to its ultimate finale and run crysis on a quantum computer.

- Korbinian Rubenbauer, Doktorand am Walther-Meißner-Institut der BAdW

Is time travel possible with the help of quantum physics (Marvel reference)?

Marvel smartly mentioned a lot of buzz words to explain their time travel in Endgame. But unfortunately it is not more than that. Even though it would be extremely cool to travel through time and bring back Iron Man, quantum physics to the best of our knowledge unfortunately does not allow for time travel. As Stephen Hawking said: If time travel is possible, where are the tourists from the future?

- Korbinian Rubenbauer, PhD student at Walther-Meißner-Institut der BAdW

What are the most unique or rare items you have found throughout these years?

I assume you are asking the museum team here: The most unique object I found during the preparation of the exhibition is a set of four wooden crates full of round glass disks from ca. 1970, with a diameter of 17 cm. These disks look like commercial samples of different glass types that you might use for your bathroom window or your office door. However, they were used for something completely different: Engineers tried to create artistic light effects by shining laser light through these glass disks. The light is diffracted, there are interference effects and in the end you see beautiful geometrical patterns with organic changes between light and shadows. You can see these crates in our exhibition and you can play around with our interactive “laser kaleidoscope” in order to create these light effects yourself. The physical phenomen behind it is the coherence of the laser beam – it would not work with a regular lamp. And since the laser wouldn’t work without quantum effects, maybe it could be considered an artistic quantum technology?

- Eckhard Wallis, Kurator (kommissarisch) und wissenschaftlicher Mitarbeiter, Ausstellungsprojekt "Licht und Materie", Deutsches Museum

Was passiert, wenn ein Kind im Weltraum (Rakete) geboren wird? L. Y. Anda, Ulm

Wenn ein Kind im Weltraum, zum Beispiel in einer Rakete, geboren wird, sind eine Vielzahl von medizinischen und biologischen Aspekten relevant.

Ein wichtiger Punkt ist beispielsweise das Fehlen der Schwerkraft im Weltraum. Dies kann sowohl auf die Entwicklung des Kindes im Mutterleib und später, also auch auf den Geburtsprozess selber Einfluss haben. Ohne die fehlende Unterstützung durch die Schwerkraft könnte es schwieriger sein, das Baby durch den Geburtskanal zu bewegen. Auch der veränderte Druck und Flüssigkeitsfluss sowie unvorhersehbare Bewegungen von Mutter und Kind könnten Probleme bereiten. Ärzte und medizinisches Personal müssten zudem spezielle Techniken und Geräte verwenden, um die Mutter und das Neugeborene sicher zu versorgen. Nach der Geburt würde das Baby in einer Umgebung ohne Schwerkraft aufwachsen, was zu langfristigen gesundheitlichen Problemen führen könnte. In Experimenten an Tieren hat man festgestellt, dass Knochen- und Muskelentwicklung sowie das Immunsystem beeinträchtigt wurden. Zusätzlich ist die psychologische Entwicklung eines Kindes, das im beengten Umfeld einer Rakete aufwächst, unbekannt und könnte erhebliche Unterschiede zu einem auf der Erde geborenen Kind aufweisen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Strahlenbelastung im Weltraum, die das Risiko für genetische Schäden und Krebs erhöhen könnte. Der menschliche Körper ist an die Bedingungen auf der Erde angepasst, und daher könnte das Leben im Weltraum grundlegende biologische Prozesse stören.

Insgesamt gibt es noch viele offene Fragen und Ungewissheiten, was die Geburt und das Aufwachsen eines Kindes im Weltraum betrifft. Die bisherigen Erkenntnisse basieren hauptsächlich auf Tierstudien und theoretischen Modellen, sodass weitere Forschung notwendig ist, um diese Herausforderungen zu bewältigen.

- Julia Draeger, PhD student at TUM