Quantentheorie als des Pudels Kern
Im Gespräch: Birgitta Whaley und Oliver Benson
bei der Next Frontier Debate
Abbildung: Peter Gotzner
Drei internationale Spitzenforscher haben bei der Next Frontier Debate der Humboldt-Universität zu Berlin Einblicke in den Bereich der Quantentheorie gegeben. Bei der Podiumsdiskussion mit dem Titel "Quantentheorie als des Pudels Kern" debattierten am 10. November die Physiker Prof. Dr. Oliver Benson, Dr. Thomas Elsässer und die Chemikerin Prof. Dr. Birgitta Whaley über Entwicklungen und Zukunft der Quantenmechanik. Sie zerlegten dabei im Tieranatomischen Theater für die Zuhörer anschaulich die kleinste Ebene von Materie und warfen einen Blick auf ihr Inneres.
Als Teil der Berliner Science Week besprachen die Wissenschaftler bei der Veranstaltung, wohin die Grundlagenforschung in den nächsten Jahren führen wird und zu welchen technischen Entwicklungen sie bereits geführt hat. Quantencomputer, -sensoren, -simulatoren und -kryptografie werden unsere Zukunft prägen – in diesem Punkt herrschte Einigkeit auf dem Podium. Und der Mensch wird zukünftig von einer neuen Klasse von Technologien profitieren und quantenmechanische Effekte nutzen, die Vögel schon lange zur Orientierung auf Ihrem Weg in den Süden einsetzen.
Von den Vögeln lernen
Dr. Peter Frensch, Vizepräsident für Forschung der HU, eröffnete die Veranstaltung mit einer Ansprache, moderiert wurde der Abend vom Journalisten Daniel Münter. In einem kurzen Überblick des Fachgebiets zeigte Birgitta Whaley, Direktorin des Berkeley Quantum Information and Computation Centers, wie allgegenwärtig Quantenmechanik in der Natur ist. Auch wir als Gesellschaft stünden vor einer Schwelle, die Quantenmechanik für uns technisch zu erschließen. Whaley arbeitet an den Schnittstellen zwischen Chemie, Physik und Biologie und lieferte in ihrem kurzen Vortrag faszinierende Einblicke, wie die Sinnesorgane von Vögeln auf Quantenprozesse zurückgreifen. Verschränkte - also miteinander auf quantenmechanische Weise verbundene - Elektronen seien dafür verantwortlich, dass die Tiere das schwache Magnetfeld der Erde regelrecht sehen können, erklärte sie.
Solche besonders empfindlichen Sensoren sind auch das Forschungsgebiet von Oliver Benson, Leiter der AG Nanooptik der Humboldt-Universität. Vor allem in der Medizin haben zukünftige Quanten-Sensoren ein großes Anwendungspotential, um Untersuchungs- und Beobachtungsverfahren bis auf Zellebene zu revolutionieren. "Während meiner Doktorarbeit hat mich immer die Idee fasziniert, ein einzelnes Atom genauer betrachten zu können", berichtete Benson vom Beginn seiner Karriere. Die heutigen Techniken, die die Quantenforschung liefert, helfen ihm, seinem Traum immer näher zu kommen. Denn das Betrachten der Quantenwelt ist für die menschlichen Sinne allein unmöglich und schwer begreifbar.
Lässt sich die Quantenwelt intuitiv verstehen?
Unter dem Schlagwort "Intuition" diskutierten die Forscher, inwieweit die Quantenwelt überhaupt vom menschlichen Verstand erfassbar ist. Um das menschliche Verständnis der ungewöhnlichen Quantenphänomene zu fördern, sei das Bildungswesen gefragt, sagte Birgitta Whaley: "Würden Kinder im Kindergarten mehr Doppelspalt-Versuche sehen, hätten Sie keine Probleme mehr zu verstehen und zu lernen: Manchmal verhält sich Licht wie eine Welle, ein anderes Mal wie ein Partikel." Ihr Kollege Oliver Benson hat da Zweifel: "Ich bin mir nicht sicher, ob es uns in ein paar Generation gelingt, Millionen von Jahren von Evolution zu überwinden. Das intuitive Verständnis der Quantenmechanik ist nicht Teil unsere Gedankenwelt und wir sollten das akzeptieren."
Wie Benson erklärte, sind Quanten besonders gut geeignet, um Zufallszahlen zu erzeugen. Auch ihre Empfindlichkeit macht sie bei Messungen und als Informationsträger interessant. Für die Computertechnologie und speziell Kryptografie sei dies von Vorteil. Dem Quantencomputer generell standen die Forscher kritisch gegenüber. Sein Einsatzgebiet sehen sie nicht als Heimgerät, sondern eher als mietbaren Online-Server für gelegentliche Lösung bestimmter Probleme. "Den überwiegenden Teil der Arbeit in unserem Alltag werden noch lange konventionelle Rechner erledigen", sagte Prof. Dr. Thomas Elsässer, Direktor des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik. Wirklich interessant seien die noch riesigen und kostspieligen Rechner-Schränke eher zur Simulationen von quantenmechanischen Effekten. Die Zerlegung großer Zahlen in Faktoren, auf der heutige Verschlüsselungsverfahren basieren, und somit das Knacken von verschlüsselten Daten wäre allerdings auch eine Aufgabe, die zukünftige Quantencomputern sehr effizient durchführen könnten.
Die Zukunft des Quantencomputers
In einer anschließenden Fragerunde interessierte die Zuhörer im Tieranatomischen Theater vor allem die Quanten-Verschränkung, auf Englisch auch "entanglement" genannt. Sie beschreibt einen Zustand, bei dem kleinste Teilchen in einer Art unsichtbarer Verbindung miteinander stehen und eine gemeinsame Einheit bilden. Es ist nicht möglich, ihre Eigenschaften unabhängig voneinander zu untersuchen. Messen Forscher daher die Eigenschaften eines Teilchens, können sie daraus den Zustand des anderen ableiten — unabhängig von ihrem räumlichen Abstand zueinander.
Whaley, Benson und Elsässer beschrieben, wie diese Verschränkung im Labor erzeugt wird und dass sie nicht gegen bekannte naturwissenschaftliche Regeln wie Albert Einsteins Relativitätstheorie verstößt. Einstein habe als „Vater des Gedankenexperiments“ ohnehin einen großen Beitrag zum Feld der Quantenmechanik geleistet, würdigte Oliver Benson. Lange Zeit war es in der Quantenphysik ein wichtiges Hilfsmittel, weil sich Experimente nicht durchführen ließen. Gerade die neuen Entwicklungen machen die Quantenphysik aber zu einer experimentellen Wissenschaft. Auch ihre komplizierteren Theorien lassen sich heutzutage überprüfen - sie ist in der Experimentalphysik angekommen.
Autor: Peter Gotzner