Forschen in der Quantenwelt

Forschen in der Quantenwelt


Physiker der Universität des Saarlandes wagen sich in die Welt des eigentlich Unvorstellbaren vor – mathematisch und mit Experimenten. Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik, erklärt die Phänomene dieser Welt so: »Nach unserem gesunden Menschenverstand liegt ein Ball entweder auf dem Tisch oder auf dem Boden, er kann nicht gleichzeitig oben und unten sein.« Genau das ist aber in der Quantenphysik, dem Mikrokosmos der Atome, möglich: »Hier passieren Dinge, die unserem Alltagsverständnis intuitiv entgegenlaufen«, sagt Becher. Gemeinsam mit seinen beiden Physiker-Kollegen Giovanna Morigi und Jürgen Eschner will er die Welt der kleinsten Teilchen ergründen und nutzbar machen.

Reichlich Wissen und Erfahrung mit den besonderen Phänomenen der Quantenwelt haben alle drei Wissenschaftler bereits gesammelt, unter anderem im renommierten Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Universität Innsbruck. Und da Giovanna Morigi und Jürgen Eschner nicht nur seit Jahren erfolgreich miteinander arbeiten, sondern auch privat ein Paar sind, hat die Saar-Uni im Rahmen des Audits »Familienfreundliche Hochschule « beide Wissenschaftler im September vergangenen Jahres gleichzeitig zu Physik-Professoren berufen. Im neu gegründeten Schwerpunkt für Quantenoptik und Quanteninformation, der im Fachbereich Physik angesiedelt ist, laufen die Forschungen der drei Wissenschaftler zusammen. Im Kern geht es darum, Licht und Atome so nutzbar zu machen, dass sich mit ihrer Hilfe hochpräzise Messungen durchführen oder Informationen verarbeiten und übertragen lassen.

Licht als Medium zur Informationsübertragung ist eigentlich nicht neu, denn schon seit der Antike senden Leuchttürme Lichtsignale aus, und in heutigen Breitbandinternetverbindungen werden kurze Lichtpulse über Glasfaserkabel verschickt. »Das Besondere der Quantenkommunikation ist, dass nicht wie bisher sehr viele Photonen, also Lichtteilchen, auf den Weg gebracht werden, sondern nur einzelne Lichtteilchen«, erläutert Christoph Becher, der seine Forschungen mit diesen Teilchen seit vier Jahren an der Saar-Uni betreibt. Die Entstehung des Lichts ist dabei immer gleich: Atome werden angeregt, die Elektronen in der Hülle hüpfen auf ein höheres Energieniveau, und beim Herunterfallen wird die zugeführte Energie als Licht abgestrahlt. Doch an dieser Stelle kommen die sonderbaren Phänomene der Quantenphysik ins Spiel: Der schon erwähnte Ball kann in der Alltagswelt nur entweder auf dem Boden liegen oder auf dem Tisch; ein Einzelteilchen der Quantenwelt – beispielsweise ein Atom oder ein Photon – kann aber gleichzeitig in verschiedenen Zuständen existieren. Für ein Atom bedeutet dies, dass es zur gleichen Zeit in einem Zustand mit niedriger und mit hoher Energie sein kann. »Diese Überlagerung zweier Zustände muss existieren, denn nur so lässt sich die mikroskopische Welt überhaupt verstehen. Das können wir im Labor bereits realisieren und demonstrieren«, erklärt der Professor für Experimentalphysik Jürgen Eschner. Daher arbeiten die Saarbrücker Wissenschaftler daran, einzelne Atome durch gezielte Laserpulse in beliebige Energiezustände zu überführen und sie bis zur Abgabe von Lichtteilchen genau zu kontrollieren. Ihr Ziel: Aus den Phänomenen der Quantenphysik Instrumente zu entwickeln, mit denen sich letztendlich Informationen speichern, übertragen und sogar verschlüsseln lassen. Die notwendigen mathematischen Instrumente für diese Experimente liefert die Theoretikerin im Team, Giovanna Morigi. Für ihre Forschungen zur Wechselwirkung zwischen Atomen und Photonen wurde die Professorin für Theoretische Physik im Jahr 2008 mit einer Heisenberg-Professur der Deutschen Forschungsgemeinschaft ausgezeichnet. Mithilfe der von ihr entwickelten theoretischen Modelle kann man zum Beispiel vorhersagen, welche physikalischen Systeme allein oder in Kombination geeignet sind, um ihre quantenoptischen Effekte effizient zu nutzen.

Um einzelne Atome unter Kontrolle zu bringen, werden diese in spezielle Fallen eingesperrt. Dabei arbeiten die Forscher mit zwei verschiedenen physikalischen Systemen. Christoph Becher hält seine Atome im Inneren eines Diamanten fest. Einmal in den Diamant hineingeschossen, werden sie vom umgebenden Kristallgitter festgehalten und können nicht mehr verschwinden. Jürgen Eschner experimentiert mit Ionenfallen. Dabei sperrt er geladene Atome, so genannte Ionen, in elektrischen Feldern ein. Die Ionenfalle befindet sich in einer Vakuumkammer; in ihr bauen metallene Elektroden ein Kräftefeld auf, das die eingebrachten Ionen festhält. »Die geladenen Atome ordnen sich zwischen den Elektroden in einer Reihe an«, erklärt Jürgen Eschner. »Man kann sie sogar als punktförmige Lichtquellen erkennen und mit einer empfindlichen Kamera aufnehmen.«

Dass man einzelne Atome sichtbar machen kann, sorgte vor ein paar Jahren im Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation für öffentliche Furore – man hatte den Dalai Lama eingeladen, dieses Schauspiel mit einem Blick durchs Mikroskop zu begutachten. »Wie ein funzeliger kleiner Stern am Nachthimmel« leuchtet ein Barium-Ion, wenn man es mit genau justiertem Laserlicht bestrahlt, sagt Christoph Becher. Um die haarfeinen Laserstrahlen auf die Atome zu lenken, ist ein Dschungel aus Spiegeln, Linsen und Prismen auf den Versuchstischen der Physiker aufgebaut. Wenn alles optimal funktioniert, versetzt das Licht die Atome in den charakteristischen Zustand der Quantenwelt, in dem sie gleichzeitig eine niedrige und eine hohe Energie besitzen. Genau diese Eigenschaften der Quantenteilchen wollen sich die Physiker letztendlich zunutze machen. »Ein neues Anwendungsgebiet dieser Forschungen ist die Quanteninklassischen Bits herkömmlicher Rechner, die den Wert null oder eins einnehmen, werden hier Quantenbits erzeugt: einzelne Atome, die – in Fallen isoliert – so mit Laserpulsen angestoßen werden, dass sie gleichzeitig in verschiedene Energiezustände eintreten. Ein mit Quantenbits arbeitender Computer könnte mit allen möglichen Überlagerungen von »Quantenzustand null« oder »Quantenzustand eins« arbeiten.Dies würde es ihm erlauben, verschiedene Rechenprozesse gleichzeitig durchzuführen. Allerdings ist der Quantencomputer noch lange keine Realität, und selbst wenn er irgendwann zuverlässig arbeiten würde, wäre er nur für ganz bestimmte Fragestellungen von Vorteil, etwa bei der Suche in großen Datenbanken oder bei der Simulation von physikalischen Prozessen. Diese Aufgaben sind für heutige Rechner extrem aufwändig oder gar nicht lösbar.

Große Erwartungen setzen Wissenschaftler weltweit in die Quantenkryptographie, die eine absolut abhörsichere Übertragung geheimer Informationen garantiert. Das Besondere: Informationen werden wiederum in der Überlagerung von Quantenzuständen übertragen. Der Empfänger kann eine Botschaft daher nur dann wieder extrahieren, wenn er mit dem Gesprächspartner ein quantenkryptographisches Protokoll vereinbart hat. Und welche konkreten Ziele haben die Saarbrücker Forscher? »Wir arbeiten, wie alle anderen Forschergruppen, an einzelnen Mosaiksteinchen im weltweiten Puzzle«, beschreibt Christoph Becher die globalen Forschungen in der Quantenphysik. Ein Teilaspekt der Forschung an der Universität sei die Bearbeitung von Schnittstellen, im herkömmlichen Computer »Interface« genannt. »Im großen Rahmen der Quanteninformationsverarbeitung wollen wir mit zwei unterschiedlichen physikalischen Systemen – den Diamant- und den Ionenfallen – Bausteine für Atom-Photon-Schnittstellen entwickeln.« Darüber hinaus forscht Professor Morigi an grundlegenden Fragen der Kontrolle komplexer Quantensysteme.

Solche Systeme sind zum Beispiel selbstorganisierte Strukturen von Atomen in Lichtfeldern oder das Strömen einzelner Elektronen durch Nanoröhrchen. Außerdem beschäftigt sich die Physikerin mit der wichtigen theoretischen Fragestellung, unter welchen physikalischen Bedingungen man die Phänomene der Quantenwelt in mechanischen Komponenten auf der Mikro- und Nanometerskala nutzen kann, zum Beispiel in winzigsten Federn.Die Forschung der Saarbrücker Wissenschaftler ist dabei in verschiedene nationale und internationale Forschungsnetzwerke eingebunden: So beschäftigt sich ein Verbundprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, an dem neben Universitätsinstituten auch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt beteiligt ist, damit, Einzelphotonen-Quellen für die Quantenkryptographie und Messtechnik zu entwickeln. In einem kürzlich genehmigten europäischen Verbundprojekt untersuchen die Forscher, wie sich Quantenstrukturen, wie sie bei der Kristallisierung von Ionen in Fallen entstehen, kontrollieren lassen. In einem weiteren Projekt arbeiten die Physiker der Saar-Uni zusammen mit den führenden europäischen Gruppen in der Quanteninformationsverarbeitung mittels Atomen, Ionen und Photonen. Die Vision der Forscher ist es, dass Quantentechnologien irgendwann so selbstverständlich zum Alltag gehören wie heute die Mikroelektronik.

_Gerhild Sieber