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Über Quantencomputer und die Delokalisierung von Teilchen - Besuche von Hotspots der experimentellen Quantenphysik

Quantenphänomene galten lange als Eigenschaften in einer Art Parallelwelt, die so gar nicht in unsere beobachtbare Wirklichkeit passen. Niels Bohr meinte in den zwanziger Jahren des vorigen Jahrhunderts: "Wer über die Quantenwelt nicht entsetzt ist, der hat sie nicht verstanden." Die Materie löst sich darin in Bewegung auf, schlimmer noch: Werner Heisenberg konfrontierte die Welt mit der Unschärfe-Relation, die besagt, dass Materie - immer auch Welle zugleich - für uns nur mit einer der beiden Zustände experimentell exakt bestimmbar und daher auch messbar ist. Die jeweils andere geht im Rauschen der Unbestimmtheit unter.

Kurzum: Die Quantenwelt war lange Zeit ein Beschäftigungsfeld für tiefschürfende Theoretiker der Physik und wortgewaltige philosophische Interpreten. Lange Zeit lag sie außerhalb des Messbaren im Forschungslabor - und praktischen Nutzen, der daraus erwachsen könnte, visionierte man zuerst einmal sowieso nicht. Das hat sich längst geändert, die Quantenphysik ist eine wichtige Disziplin mit gewaltigem Zulauf in den physikalischen Labors.

Die experimentellen Quantenphysiker brauchen allerdings das Vakuum für ihre Versuche. Denn Quantenphänomene werden nur beobachtbar und damit messbar, wenn sich Teilchen, Atome oder Moleküle isoliert von der Wechselwirkung mit anderen Teilchen "verhalten".

Für die Messung dieses Verhaltens stehen unterschiedlich ausgerichtete experimentelle Sets auf dem Prüfstand. Und erstaunliche Beweise sind inzwischen gelungen: Zum Beispiel der Nachweis der für uns so schwer nachvollziehbaren Heisenbergschen Unschärfe-Relation, also die Tatsache, dass ein Teilchen in der reinen Quantenwelt tatsächlich an verschiedenen Orten gleichzeitig sein kann.

Rainer Blatt

Ebenso jonglieren Experimentatoren erfolgreich mit der Teleportation, also dem Phänomen, dass die Zustands-Informationen von Quanten "instantan", wie das die Fachleute nennen, übermittelt werden. Gemeint ist: Sind Quanten in einem verschränkten Zustand, also miteinander gekoppelt, dann gehen Veränderungen des Zustands an einem Quant gleichzeitig auf alle anderen Quanten über - und zwar ganz egal, wie weit sie voneinander entfernt sind.

Für Einstein, den Entdecker der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze der Informationsübertragung im Universum, war das noch ein scheinbar guter Grund, die Quantenphysik abzulehnen. Dass Einstein zwar Recht hatte, aber Schrödinger eben auch, beweisen Forscher heute eindrucksvoll. Manche Experimentatoren haben schon begonnen, die Fähigkeit der Quanten zur Teleportation zu kontrollieren, und sie als Abakus fürs Rechnen mit Qu-Bits zu nutzen.

Ich habe in letzter Zeit mehrere Hotspots der experimentellen Quantenphysik besucht und mit angesehenen Quantenphysikern gesprochen. Für mich war dabei spannend zu beobachten, dass Quantenphysiker keine spezielle Spezies sind, sondern sich ihre Charaktere doch erheblich voneinander unterscheiden. Da ist beispielsweise Rainer Blatt von der Uni in Innsbruck, gleichzeitig auch Chef des iqoqi, eine gemeinschaftliche Forschungsstätte von Universität und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

Er ist ein Pionier des zukünftigen Quantencomputers, insofern wohl zumindest ein möglicher Nobelpreis-Kandidat; und er ist das, was ich einen Technokraten der Quantenwelt bezeichnen möchte. Sein Credo: Die Quantenwelt ist nicht nur berechenbar, sondern inzwischen auch zu beherrschen - verstehen müssen wir sie dabei nicht. Fast ein bisschen trotzig bringt er seine persönliche Sicht über die von Einstein in die Debatte eingebrachte "spukhafte" Fernwirkung der Quantenphysik zu Protokoll und in meine Kamera: "Ich mag diesen Mystizismus nicht!" Blatt ist einer, der die Quanten immer präziser unter seine Kontrolle bringen will, das macht er ziemlich erfolgreich - alles andere interessiert ihn einfach nicht.

Warum sehen wir von solchen Quantenphänomenen nichts in der von uns wahrnehmbaren Realität?

Markus Arndt ist von ganz anderem Charakter. Er forscht an der Uni Wien und befasst sich mit dem Phänomen von Schrödingers Katze, also mit der Delokalisierung von Teilchen.

In der strikten Isolation seiner Versuchsanordnungen können die Wiener Forscher Werner Heisenbergs "Unschärfe-Relation" beweisen: dass sich in der Quantenwelt immer nur eine Größe - beispielsweise den Ort oder aber den Impuls eines Teilchens - eindeutig bestimmen lässt. Misst man eine, wird die andere "unscharf": Sie wird zu einer nur noch statistisch fassbaren Größe.

Markus Arndt

Anders gesagt: Ein Teilchen kann gleichzeitig hier oder auch dort sein, sich also delokalisieren. Und das kann die Forschergruppe von Arndt heute nicht nur für einzelne Atome, sondern schon für Moleküle beweisen. Mit Molekülaggregaten aus achthundert Atomen halten die Wiener übrigens den Weltrekord delokalisierter Teilchen.

Für Arndt, einen feinsinnigen Quantenphysiker, sind solche Erkenntnisse ein guter Grund, sich auch Gedanken über die Wirklichkeit zu machen und sich mit der Frage zu beschäftigen, wie die beobachtbare Realität und die Phänomene der isolierten Quantenwelt zusammenhängen. Arndt versucht, hinter die für uns inzwischen kontrollierbare Fassade der Phänomene zu blicken - dorthin, wo der Verstand des Menschen eigentlich nicht die geeigneten Wahrnehmungssensoren hat.

So weiß auch Arndt, dass der Versuch als solcher, die beobachtbare Wirklichkeit und die darunter liegende Quantenfluktuation zur Deckung zu bringen, fast zwingend zum Scheitern verurteilt ist. Doch wer mit ihm spricht, der nimmt wahr, dass ihm die intellektuelle Auseinandersetzung mit dieser für uns vielleicht nie lösbaren Frage dennoch etwas bedeutet. Wer sich dafür interessiert, den möchte ich an dieser Stelle auch auf mein Hintergrundgespräch mit ihm hinweisen, in dem es vor allem um die erkenntnis-theoretischen Implikationen der Quantenphysik geht.

Die Gruppe von Arndt entwickelt bereits neue Experimentalanordnungen, mit denen noch deutlich größere Moleküle und Nanoteilchen delokalisiert werden sollen. Ob es eine Massengrenze der Quantenphysik gibt, ist eine Frage, die heute theoretisch noch nicht eindeutig geklärt ist. Die Quantenwelt könnte "grenzenlos" sein - sozusagen unter allem fluktuieren, was wir Wirklichkeit nennen. Dann stellt sich allerdings sofort die Frage: Warum sehen wir von solchen Quantenphänomenen nichts in der von uns wahrnehmbaren Realität?

Die Dekohärenz-Theorie rechnet mit einer erweiterten Schrödinger-Gleichung vor, warum das so ist: Kein Objekt ist je perfekt isoliert. In der Alltagsumgebung wechselwirken Quanten laufend miteinander, etwa mit Molekülen der Luft. Der Physiker bezeichnet dieses Phänomen als "Quantenverschränkung". Quantenphysikalische Phänomene sind demnach zwar in unserer Welt allgegenwärtig, aber in unserem Alltagsleben können wir sie trotzdem nicht mehr beobachten, weil sie sich in zu viele Wechselwirkungspartner verlieren.

Neben der Dekohärenz als inzwischen etabliertem Teil der Quantenphysik, vermuten manche Wissenschaftler, könnte es weitere, bislang noch unbekannte Effekte in der Quantendynamik geben. Es wäre möglich, dass deren Quantendynamik durch bisher unbekannte Teilchen oder Felder - vielleicht auch durch die Gravitation - verändert wird.

Und somit geht es dabei auch um die große, noch offene Frage einer Weltformel!