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Nobelpreise rücken Quantenphysik ins Rampenlicht
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In der Welt der kleinsten Teilchen

Computerchips, Kernspintomografen oder Navigationssysteme: Ohne die Erkenntnisse der Quantenphysik wären viele wegweisende Entwicklungen nicht möglich gewesen. Unter dem Schlagwort einer „zweiten Quantenrevolution“ versprechen neue Quantentechnologien bisher unlösbare Probleme zu lösen: Quantencomputer gehören beispielsweise dazu.

Von Unispectrum live • Christine Pauli

Fährt man mit dem Auto zu schnell, dann kann es vorkommen, dass man "geblitzt" wird: Ort und Geschwindigkeit des Fahrzeugs werden dabei gleichzeitig gemessen. Wäre das Auto ein Elektron, dann wäre die Messung von Ort und Geschwindigkeit nicht mehr ganz so einfach: Denn je genauer man den Ort eines Elektrons ermittelt, umso ungenauer lässt sich seine Geschwindigkeit bestimmen - und umgekehrt. Eine Erkenntnis, die auf den Physiker Werner Heisenberg zurückgeht – die sogenannte "Heisenbergsche Unschärferelation" beruht darauf.

Der Vergleich von Auto und Elektron zeigt, dass in der Welt der kleinsten Teilchen nicht unbedingt also so ist, wie man es aus dem Alltag kennt. Quantenphysik heißt die Disziplin, die sich mit den Naturgesetzen in diesem atomaren und subatomaren Bereich auseinandersetzt: „Es ist der Teilbereich der Physik, der sich mit dem Verhalten und der Wechselwirkung der kleinsten Teilchen befasst“, sagt Prof. Dr. Artur Widera, Arbeitsgruppenleiter am Fachbereich Physik der TU in Kaiserslautern. Und er ergänzt: „Experimentelle Messungen in diesem Bereich liefern mitunter Ergebnisse, die der klassischen Erwartung widersprechen.“

„Das Verhalten der kleinen Teilchen ist ein eigener Mikrokosmos“

Quantenphysiker beschäftigen sich beispielsweise mit dem Welle-Teilchen-Dualismus: Das gleiche Objekt kann - je nach Art der Untersuchung - entweder als Welle oder als Teilchen in Erscheinung treten.

Ein Teilchen kann sich zudem an zwei Orten gleichzeitig befinden: Superposition heißt dieses Phänomen. Lässt man ein einzelnes Elektron auf eine Wand zufliegen, in der sich zwei Schlitze befinden, dann müsste sich das Teilchen nach den Regeln der klassischen Physik für links oder rechts entscheiden – und es müsste später hinter dem linken oder hinter dem rechten Schlitz nachweisbar sein. Stattdessen bildet sich ein Muster, ein Interferenzmuster, das zeigt, dass sich das Teilchen durch beide Schlitze bewegt haben muss.

Und: In der Quantenphysik können zwei oder mehr Teilchen miteinander verschränkt sein. Soll heißen: Die Teilchen zeigen auch auf weite Entfernung hinweg eine Beziehung in ihren Quantenzuständen, die man nicht klassisch erklären kann. „Das Verhalten der kleinen Teilchen ist ein eigener Mikrokosmos“, fasst es Artur Widera zusammen.

Ohne die Erkenntnisse der Quantenphysik gäbe es weder Laser noch Supraleiter

Die Quantenphysik hat ihre Ursprünge im Jahr 1900: Max Planck befasste sich damals mit der Wärmestrahlung. Demnach ist das Licht sowohl eine elektromagnetische Welle als auch ein Strom von „Energiepäckchen“. Diese kleinsten Pakete von Licht nannte man später Photonen. Albert Einstein gelang 1905 – durch Anwendung der Planckschen Hypothese – die Erklärung des photoelektrischen Effektes. Planck und Einstein wurden damit zu den Gründungsvätern der Quantenmechanik.

In den 1920 Jahren begannen sich erste technische Anwendungen abzuzeichnen: Diese "erste Quantenrevolution" brachte etwa Laser oder Supraleiter hervor. So entdeckte der holländische Physiker Kammerling Onnes, dass eine Quecksilberprobe bei sehr niedrigen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verliert, und damit zu einem idealen Leiter wird. „In diesem Zustand führen auch sehr hohe Stromstärken nicht zu einem Verlust von elektrischer Energie im Leiter“, erklärt Artur Widera. Strom könne so verlustfrei über große Strecken transportiert werden. Onnes bezeichnete seine Beobachtung als Supraleitung. Supraleiter werden heute in Spulen eingesetzt, durch die hohe Stromstärken laufen, um sehr starke Magnetfelder zu erzeugen. Einsatz finden sie beispielsweise in Kernspintomografen (MRT).

In den 1930er-Jahren machten Albert Einstein und Erwin Schrödinger deutlich, dass die Quantenmechanik einige als paradox empfundene Aussagen mit sich bringt. Berühmt ist Schrödingers Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist. Ein Gedankenexperiment, das veranschaulicht, dass sich in der Quantenwelt verschiedene Zustände überlagern können.

Artur Widera: „Es sind gerade die paradox scheinenden Besonderheiten der Quantenphysik, die jetzt Ausgangspunkt von Anwendungen und Technologien sind. Ohne sie wären Computerchips und Navigationssystem nicht möglich gewesen.“

Physik-Nobelpreis 2022 für Quantenforscher

Heutzutage wollen Forschende quantenmechanische Eigenschaften nutzen, um neue Anwendungen wie etwa Quantencomputer auf den Weg zu bringen. Ein Vorhaben, das unter dem Stichwort einer "zweiten Quantenrevolution" zusammengefasst wird. Auch die weitgehend abhörsichere Quantenkryptografie oder die sogenannten Quantensensoren gehören dazu.

Die Physik-Nobelpreisträger von 2022 gehören zu den Wegbereitern der zweiten Quantenrevolution: Es sind der Franzose Alain Aspect, der US-Amerikaner John F. Clauser und der Österreicher Anton Zeilinger. Aspect und Clauser haben sich mit den kleinsten Teilchen intensiv auseinandergesetzt und experimentell gezeigt, dass insbesondere die quantenmechanische Verschränkung eine gänzlich neue Eigenschaft ist, die nicht durch klassische Modelle erklärt werden kann. Anton Zeilinger, Professor an der Universität Wien, ging einen ersten Schritt in Richtung Anwendung, wies die sogenannte Quantenteleportation nach: Damit ist es möglich, einen Quantenzustand von einem Teilchen auf ein anderes zu übertragen, – obwohl sich dieses in einiger Entfernung befindet. Digitale Kommunikation und die Datenübertragung im Internet könnte sich mithilfe dieser Erkenntnis verändern. "Die Fähigkeit, Quantenzustände und all ihre Eigenschaften zu manipulieren und zu verwalten, verschafft uns Zugang zu Werkzeugen mit unerwartetem Potenzial", heißt es vorausschauend in der Begründung des Nobel-Komitees.

Artur Widera: „Es gibt bereits Satelliten, durch die eine Kommunikation mit verschränkten Photonen möglich ist. Das stellt auch eine neue Art der Sicherheit dar. In den nächsten zehn Jahren können wir eine ganze Reihe neuer Anwendungen in allen Bereichen der Quantentechnologie erwarten.“ Und er meint: Die hinter dem Nobelpreis stehenden Erkenntnisse haben gezeigt, „dass die Quantentheorie auf stabilen Füßen steht.“

Bau eines Quantencomputers in Kaiserslautern

Auch die TU in Kaiserslautern ist im Bereich der Quantenphysik vorne mit dabei: „Ein großes Projekt ist der Bau eines Quantenprozessors“, sagt Artur Widera. Gemeinsam mit Professor Dr. Herwig Ott, ebenfalls am Fachbereich Physik, Kollegen der Universität Hamburg und des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM sowie Industriepartnern will er mit seinem Team einen funktionsfähigen Quantenprozessor auf Basis von sogenannten Rydberg-Atomen entwickeln. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 25 Millionen Euro. Mehr als sieben Millionen Euro davon gehen an den Fachbereich Physik der TU.

Die hinter dieser Forschung steckende Problematik: Heutige Hochleistungscomputer stoßen bei einigen relevanten Problemen an ihre Grenzen. Dies zeigt sich beispielsweise bei komplexen Optimierungsproblemen, wie etwa der Routenplanung mit vielen Zwischenstopps, der Optimierung von verzahnten Arbeits- und Produktionsprozessen, der Berechnung des idealen Steigflugs eines Flugzeuges oder der Planung ressourcenschonender Logistikabläufe bei Lieferketten und Umschlagplätzen. Artur Widera: „Quantencomputer können die Leistung herkömmlicher Computer bei bestimmten dieser Probleme um ein Vielfaches übertreffen.“ Statt klassischer Bits, die entweder den Wert 0 oder 1 annehmen können, benutzen sie sogenannte Quantenbits, die gleichzeitig 0 und 1 sein können. „Dadurch haben sie ein immenses Potenzial, Probleme anzugehen, die für klassische Computer unlösbar sind. Insbesondere versprechen sie, wichtige Probleme der Logistik und Prozessoptimierung lösen zu können. Sie sind eine zentrale Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts.“ Weitere zukünftige Anwendungsgebiete seien die Berechnung neuer Wirkstoffe für Medikamente oder die Optimierung von Versicherungsalgorithmen.

„Im Bereich der Quantenphysik herrscht Gründergeist“

„Viele Eigenschaften der Quantenphysik sind längst noch nicht in Technologien umgewandelt“, fährt Artur Widera fort. Was werden wir also in Zukunft noch erwarten können? „Im Bereich der Biologie und Medizin wird sich dank der Quantenphysik in den nächsten Jahren sicherlich einiges tun. Es wird kleine Sensoren geben, die Vorgänge in lebenden Organismen untersuchen, ohne ihnen zu schaden.“

Erkenntnisse der Quantenphysik könnten so dazu beitragen, Nervenzellen oder Herzzellen besser zu verstehen. Auch im Bereich der Quantensensorik ist die Uni in Kaiserslautern vorne mit dabei: Professorin Dr. Elke Neu-Ruffing arbeitet mit ihrem Team am Bau von Sensoren, die besonders empfindlich und vielseitig sind. Sie können zum Beispiel in den Lebenswissenschaften Verwendung finden, in dem sich Ströme messen lassen, die entstehen, wenn beispielsweise elektrische Impulse durch Nervenzellen geleitet werden.

Berufsbegleitender Masterstudiengang soll Expertinnen und Experten fit machen

Quantentechnologien finden immer mehr den Weg in die industrielle Anwendung. Die Entwicklung geht in manchen Bereichen so schnell, dass die Nachfrage an Fachkräften nicht durch die Absolventinnen und Absolventen der Hochschulen gedeckt werden kann. Damit sich berufstätige Fachkräfte auf akademischem Niveau in den Quantentechnologien qualifizieren können, wird die Technische Universität in Kaiserslautern einen berufsbegleitenden, interdisziplinären Fernstudiengang entwickeln. Der neue Masterstudiengang soll diesem Bedürfnis in Zukunft Rechnung tragen. Er wird  am Fernstudiengangzentrum der TU, dem Distance and Independent Studies Center (DISC), an den Start gehen. Angesiedelt wird er an der Schnittstelle zwischen Physik, Mathematik, Informatik sowie Elektrotechnik und Informationstechnik. „Wir setzen hier auf Interdisziplinarität, weil die technischen Anwendungen eine enorme Breite an Technologien und Methoden umfassen, und um den Studierenden die Materie aus vielen Blickwinkeln näher zu bringen“, sagt Artur Widera. Und der Physik-Professor meint: „Im Bereich der Quantenphysik herrscht ein richtiger Gründergeist. In den letzten fünf Jahren sind viele tolle Ideen entstanden.“ Die allerkleinsten Teilchen bekommen die ganz große Aufmerksamkeit.

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© TUK, Thomas Koziel

Prof. Dr. Artur Widera leitet seit 2010 eine Arbeitsgruppe an der TU in Kaiserslautern. In seiner Forschung beschäftigt er sich mit ultrakalten Quantengasen und der Quantenphysik einzelner Atome sowie mit Quantenemittern in photonischen Netzwerken. Ziel ist das Verständnis von Messungen in der Quantenwelt, das Verständnis von Quantenmaschinen und ihrem Potenzial sowie die Entwicklung kleinster Quantensensoren.

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Erstellt
am 08.11.2022 von
Julia Reichelt