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Nobelpreise 2012: Kontrolle über Schrödingers Katze

Serge Haroch und David Wineland erhalten den Nobelpreis für Physik 2012 für ihre bahnbrechenden Experimente zur Vermessung und Kontrolle einzelner Quantenobjekte, ohne deren Quanteneigenschaften zu zerstören. Wineland ermöglichte damit den Bau von Uhren mit unglaublicher Genauigkeit, und vielleicht ebneten die beiden Physiker auch den Weg zum viel beschworenen Quantencomputer.
Quantencomputer scheitern an der VerschränkungLaden...

In den vergangenen drei Jahrzehnten haben der Franzose Serge Haroche vom Collège de France und der Ecole Normale Supérieure in Paris und der US-Amerikaner David Wineland von der University of Colorado in Boulder, neben vielen anderen Physikern, einen Traum der Quantenphysik-Pioniere verwirklicht. So bedauerte Erwin Schrödinger noch 1952, dass es nicht möglich sei, mit einzelnen Elektronen oder Atomen experimentieren zu können. Stattdessen sei man auf Gedankenexperimente mit teils irrwitzigen Konsequenzen angewiesen – eines der berühmtesten Beispiele ist Schrödingers Katze. Diese sitzt in einer verschlossenen Kiste und wird von einem Mechanismus bedroht: Zerfällt ein radioaktives Element, so wird ein Gift freigesetzt, und die Katze stirbt. Solange niemand in die Kiste hineinschaut, befindet sich das radioaktive Atom aber nach den Regeln der Quantenphysik gleichzeitig in beiden Zuständen: stabil und zerfallen. Deswegen, so sagt Schrödinger, sei die Katze ebenfalls lebendig und tot. Erst wenn jemand in die Kiste hineinschaut, nimmt sie einen der beiden Zustände an.

Das widerspricht natürlich unserer Erfahrung: Eine Katze ist entweder tot oder lebendig – auch in einer geschlossenen Kiste. Der Witz besteht darin, dass dies für die Katze stimmt, für ein einzelnes Atom aber nicht. Solange man an ihm keine Messung vornimmt, besitzt es alle Eigenschaften gleichzeitig. Es ist also – um im Bild zu bleiben – wirklich gleichzeitig tot und lebendig. Physiker sprechen von Superposition oder Überlagerung.

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Die Physikpreisgewinner 2012 | David J. Wineland (links) und Serge Haroche, die Nobelpreisträger für Physik 2012.

Wenn ein einzelnes Atom anderen Gesetzen folgt als eine Ansammlung von unzählig vielen Atomen in einer Katze, stellt sich natürlich die Frage: Wo ist der Übergang von der Quantenwelt zur klassischen Welt, und wie spielt er sich ab? "Haroche und Wineland haben Techniken entwickelt, um diesen Übergang von der Mikro- zur Makrowelt experimentell zu untersuchen – nicht nur im Gedankenexperiment", fasst Dieter Meschede von der Universität Bonn, der mit Haroche zusammengearbeitet hat, die Leistung der beiden zusammen. "Sie haben über Jahrzehnte hinweg ihre Forschungsrichtung mit immer neuen und sehr schwierigen Experimenten nach vorne getrieben", ergänzt Gerhard Rempe vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Die Vorgehensweise war allerdings unterschiedlich.

Wie kann man einzelne Atome einfangen?

David Wineland beschäftigte sich mit der Frage, wie man einzelne Atome einfangen und vor allem kontrollieren kann. Hierfür baute er eine "Falle", die aus elektrischen Feldern besteht, und fing darin elektrisch geladene Atome, also Ionen, ein. Diese Technik war schon bekannt und wurde bereits 1989 mit dem Nobelpreis für Physik für Wolfgang Paul und Hans Georg Dehmelt belohnt. Winelands Kunst bestand nun darin, die eingefangenen Ionen mit Lasern gezielt zu beeinflussen und ihre Eigenschaften zu vermessen.

In den 1990er Jahren gelang es ihm zusammen mit Christopher Monroe, ein einzelnes Ion in einem Überlagerungszustand zu präparieren, der aus quantenphysikalischer Sicht genau dem Zustand von Schrödingers Katze entsprach. Anschließend konnten die beiden Physiker verfolgen, wie der Überlagerungszustand des Ions zerfiel und dieses einen konkreten Zustand einnahm.

Serge Haroche und David Wineland haben jeweils bereits für "Spektrum der Wissenschaft" geschrieben. Die Links zu den kostenfreien Artikeln finden Sie unten im "Heftarchiv zum Thema".

Serge Haroche beschritt einen anderen Weg, um die Quantenwelt zu kontrollieren. Er baute ein kleines Gerät, dessen Herz aus zwei Spiegeln im Abstand von knapp drei Zentimetern bestand. Die bis auf 0,8 Kelvin gekühlten Spiegel besitzen eine so hohe Reflektivität, dass ein einzelnes Lichtteilchen zwischen ihnen bis zu 40 000 Kilometer zurücklegt, bevor einer der Spiegel es verschluckt. Schoss Haroche nun durch dieses Spiegelkabinett ein einzelnes Atom hindurch, so wurde dieses mit großer Wahrscheinlichkeit auf dem Weg einmal von dem Lichtteilchen getroffen. Das hinterlässt auf dem Atom einen Fingerabdruck, den Haroche auslesen konnte. Auf diese Weise war es ihm möglich, Informationen über das Lichtteilchen zu bekommen, ohne es zu zerstören. Das galt lange Zeit als unmöglich.

Mit diesen und anderen Experimenten haben Haroche und Wineland viele Vorhersagen der Quantenphysik experimentell betätigt, beispielsweise zur Verschränkung von Teilchen, einem anderen Mysterium der Quantenphysik, das Einstein als spukhafte Fernwirkung bezeichnete. Gleichzeitig bahnten sie aber auch den Weg für zukünftige Technologien.

Von der Theorie in die Praxis

Wineland gelangen beispielsweise bereits große Fortschritte beim Bau einer so genannten optischen Uhr: Sie funktioniert ganz ähnlich wie eine heutige Atomuhr, ist aber 100-mal genauer. Dafür sperrt er ein Ion in eine Falle und liest mit einem Laser den Übergang des Teilchens zwischen zwei Zuständen aus. Dieser Wechsel dient gewissermaßen als Sekundenzeiger, nur dass er einige zehntausend Mal schneller abläuft als in einer Atomuhr. Eine solche optische Uhr würde im Lauf des Weltalters von knapp 14 Milliarden Jahren nur um fünf Sekunden falsch gehen. Im Labor funktioniert sie bereits und wurde beispielsweise dafür verwendet, die Verlangsamung der Zeit im Schwerefeld der Erde direkt zu messen. Es dürfte nur eine Frage der Zeit sein, wann optische Uhren die heutigen Atomuhren ersetzen werden – bislang hapert es allerdings noch am Dauerbetrieb über Jahre hinweg.

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Die Zukunftsvision aber ist der Quantencomputer: Er beruht im Prinzip darauf, dass jeder Überlagerungszustand in einem Atom eine Information, zum Beispiel eine Zahl, speichern kann – auf Qubits genannten Speichereinheiten. Wineland rechnete vor, dass in einem Quantencomputer bereits 300 Atome mehr Werte enthalten können, als es Teilchen im Universum gibt. Ziel ist es, Zahlenwerte in den Zuständen eines Atoms zu speichern, diese dann rechnen zu lassen und das Ergebnis schließlich auszulesen. Ein auf diesem Prinzip basierender Quantencomputer wäre zumindest für bestimmte Rechenoperationen sehr viel schneller als heutige Supercomputer.

Die Anforderungen an einen Quantencomputer sind jedoch teils widersprüchlich. Zum einen müssen die Qubits von ihrer Umgebung möglichst isoliert sein, weil jede unerwünschte Wechselwirkung die Superposition und damit die Rechnung zerstört. Andererseits müssen die Qubits stark miteinander wechselwirken und letztlich exakt gemessen werden, damit sich das Resultat ihrer Berechnung auslesen lässt. Der zerstörungsfreie quantenmechanische Messvorgang spielt hierbei also eine wesentliche Rolle. Genau für solche Verfahren wurden Haroche und Wineland nun mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

So konnten Wineland und Monroe 1995 erstmals zwei Atome in eine Falle sperren und mit Lasern so beeinflussen, wie es für einen Quantencomputer nötig ist. Wie steinig der Weg der Experimentatoren ist, zeigt sich daran, dass der heutige Rekord gerade einmal bei 14 Atomen liegt. "Wir sehen kein grundsätzliches physikalisches Problem, das den Bau eines Quantencomputers verhindern würde", sagt Meschede. Es gebe zwar auch andere Ansätze für die Konstruktion eines Quantencomputers, doch sein Kollege Gerhard Rempe sieht die eingeschlossenen Ionen ebenfalls als aussichtsreichste Variante.

Der Quantencomputers liegt noch in weiter Ferne, darin sind sich Haroche und Wineland wohl mit allen anderen Physikern einig. Immerhin haben ihre Arbeiten auf dem Weg dorthin bereits sehr tiefe Einblicke in die verrückte Welt der Quanten gewährt.

41. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 41. KW 2012

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