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Die Herrscher der Quantenwelt

Die beiden diesjährigen Nobelpreisträger haben Einblicke in eine Welt gewonnen, die sich uns normalerweise entzieht - und damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu superschnellen Computern getan.

Von Lea Wolz

Ob hier ein Quantencomputer helfen würde, bleibt wohl offen. Aber irgendwie ist es schon amüsant: Das Nobelpreiskomitee verleiht den diesjährigen Nobelpreis für Physik an zwei Quantenphysiker, deren Forschungen wichtige Grundlagen für Technologien der Zukunft liefern - und gleichzeitig gibt es in Stockholm enorme Probleme mit der Technik der Gegenwart. Die Telefonleitung ist unterirdisch, und der Live-Webcast muss wegen technischer Probleme unterbrochen werden.

Vielleicht ist dies aber auch lediglich eine gute Überleitung zum Thema - denn bekanntlich geht es in der Quantenwelt ja sehr verrückt und unberechenbar zu. In diese bizarre Welt haben die diesjährigen Physik-Nobelpreisträger, Serge Haroche aus Frankreich und David Wineland aus den USA, mit ihrer Forschung ganz neue Einblicke gegeben - und damit auch die Grenze dessen, was wir erkennen können, um ein Stück verschoben.

Verrückte Quantenwelt

Wie verrückt die Quantenwelt ist, hat der österreichische Physiker und Nobelpreisträger Erwin Schrödinger schon 1935 mit seinem berühmten Gedankenexperiment gezeigt. Salopp formuliert besagt dies, dass eine Katze in der Quantenwelt zeitgleich zwei Zustände einnehmen kann - und damit tot und lebendig zugleich wäre. Was einigermaßen absurd klingt, ist faszinierend.

In der Quantenwelt befindet sich ein Elektron, ein Atom oder Photon nicht nur in einem einzigen Zustand, sondern in mehreren gleichzeitig. Erst wenn dieses Teilchen gemessen, also beobachtet wird, wird es gezwungen, diesen Überlagerungszustand aufzugeben - und sich spontan für einen der möglichen Zustände zu entscheiden. Die direkte Messung hat damit einen Einfluss auf das Beobachtete.

Um die Verrücktheiten der Quantenwelten, die sich unseren alltäglichen Erfahrungen entziehen, anschaulich zu machen, wählte Schrödinger das Beispiel einer Katze. Diese ist - komplett isoliert von der Außenwelt - in einer Kiste untergebracht. In der Kiste befinden sich zudem eine mit Gift gefüllte Flasche und ein radioaktives Atom, das in einer gewissen Zeit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zerfällt. Ist dies passiert, löst ein Geigerzähler Alarm aus und lässt einen Hammer auf die Giftflasche niedergehen. Das Schicksal der Katze wäre damit besiegelt.

Doch solange niemand die Kiste öffnet und das Atom demnach unbeobachtet ist, müsste es nach den Gesetzen der Quantenmechanik gleichzeitig noch intakt und schon zerfallen sein. Das müsste auch für die Katze gelten, mutmaßte Schrödinger. Sie wäre damit gleichzeitig tot und lebendig. Davon abgesehen, dass solche Zombies in der Natur noch nicht gesichtet wurden, wäre es auch problematisch, dies zu beobachten: Denn ein Zuschauer reicht, um die Überlagerung der beiden Zustände "tot" und "lebendig" aufzuheben.

Und genau das ist das Dilemma: Direkte Messungen in der Quantenwelt sind nur schwer möglich - das Beobachtete entzieht sich in seiner Vielschichtigkeit dem Zugriff, sobald es mit der Außenwelt in Kontakt tritt. Die bizarren Phänomene der Quantenmechanik zu beobachten, schien daher unmöglich.

Beobachten und manipulieren

Den beiden Physiknobelpreisträgern ist genau dies gelungen. Sie haben experimentelle Methoden entwickelt, mit denen die Berechnung, Kontrolle und Manipulation von Quantensystemen möglich ist, ohne diese zu zerstören. Vereinfacht gesagt, haben Serge Haroche und David J. Wineland die tote und gleichzeitig lebendige Katze beobachtet.

Wineland und sein Team sperrten geladene Atome, sogenannte Ionen, in einen Käfig aus elektrischen Feldern, versetzten sie in einen Quantenzustand und maßen ihre Eigenschaften mit Licht. Haroche näherte sich der Quantenwelt gleichsam vom anderen Ende: Er sperrte Lichtteilchen, sogenannte Photonen, zwischen zwei supraleitenden Spiegeln ein. Die Teilchen bewegten sich in diesem Gefängnis mehrmals hin und her, bevor sie verschluckt wurden. In dieser Zeit schickte Haroche Atome durch die optische Falle, vermaß im Anschluss die deren Eigenschaften - und konnte so auf die quantenmechanischen Eigenschaften der eingesperrten Photonen rückschließen, ohne diese zu zerstören.

Superschneller Computer, präzise Uhren

Dabei lieferten die beiden Forscher nicht nur eine tiefere Einsicht in eine Welt, die bis dahin nur mit Gedankenexperimenten zu erkunden war. Sie legten auch die Grundlagen für technische Anwendungen. Der Traum vieler Wissenschaftler ist ein superschneller Quantencomputer. Dieser könnte " unser Leben ebenso radikal verändern, wie der klassische Computer das Leben im vergangenen Jahrhundert gewandelt hat", prognostiziert die Königlich-Schwedische Wissenschaftsakademie. Doch so schnell dürfte sich dieser Superrechner nicht realisieren lassen. Denn bevor er gebaut werden kann, sind noch viele Probleme zu lösen - etwa wie sich die Informationen aus Quantenbits auslesen lassen, ohne dass diese dabei zerstört werden.

Schneller könnte allerdings die Entwicklung extrem präziser Uhren gehen, die hundertmal exakter als herkömmliche Cäsium-Uhren sind. Eine solche Quantenuhr wäre unvorstellbar präzise: Würde sie seit dem Urknall im Einsatz sein und die seitdem verstrichene Zeit vermessen, beliefe sich ihre Ungenauigkeit heute auf lediglich fünf Sekunden - bei einer Laufzeit von etwa 14 Milliarden Jahren.

"Es zu begreifen, dauert"

Mit solchen technischen Wunderwerken dürfte dann wohl auch die Übertragung der Nobelpreisvergabe reibungsloser funktionieren. Heute zumindest war es ein bisschen wie in der Quantenwelt: Die Leitung war tot - und gleichzeitig freute sich in Stockholm ein quicklebendiger und hörbar gerührter Haroche am Telefon über den Nobelpreis.

"Es dauert, bis man es begriffen hat", sagte Haroche. Als ihn der Anruf des Komitees erreicht habe, sei er gerade mit seiner Frau unterwegs gewesen. "Ich war froh, dass ich mich hinsetzen konnte, das ist überwältigend. Ich werde zu Hause Champagner trinken und dann ins Labor gehen."

Sein US-Kollege Wineland zeigte sich laut Nobel-Komitee zuerst weniger schwungvoll - kein Wunder, erreichte ihn die Nachricht ja auch in der Nacht: "Wir werden uns vielleicht noch ein bisschen schlafen legen. Meine Frau hat den Anruf entgegengenommen und mich geweckt", sagte er. Mit sehr müder Stimme ergänzte er dann aber noch: "Es ist schon eine wundervolle Überraschung, schon unglaublich."

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