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Die Natur im Kleinen verstehen

Im Rahmen der Science Week richtet die Humboldt-Universität am 10. November die Next Frontier Debate, eine Podiumsdiskussion über den Stand der Quantenforschung, unterschiedliche Ansätze und Perspektiven auf zukünftige Entwicklungen, aus. Ein Laborbesuch bei der AG Nanooptik am Institut für Physik der HU in Adlershof
Merle Braun, Bernd Sontheimer, Oliver Benson lehnen sich an einen Stickstoff-Tank in einem der LASER-Labore des Instituts für Nanooptik. In den Händen von Herrn Benson ein Atommodell eines Diamanten mit Einschlüssen.

Merle Braun, Bernd Sontheimer, Oliver Benson
(v.l.n.r.) in einem der Laser-Labore des Instituts für
Nanooptik. Abbildung: Peter Gotzner

Abgeschirmt in einem fensterlosen Raum schimmert grünes Laser-Licht über mehrere Tische und passiert akribisch aufeinander ausgerichtete Linsen. An der Wand eines der Labore der AG Nanooptik im Institut für Physik in Adlershof hängt eine Tafel mit Formeln, nicht weit davon entfernt steht ein Arbeitstisch mit Rechner und Mikroskop. Der fast mannshohe, rollende Stickstoff-Tank quetscht sich dazwischen. In der vom hintergründigen Rasseln der Computerkühler bestimmten Welt ist Platz für die Physiker um Oliver Benson ein unnötiger Luxus. Denn ihre Forschung gilt ohnehin dem kleinsten der Kleinen: den Photonen.

Hier in den Laboren der Humboldt-Universität wird umgesetzt, was die Quantenmechanik Physikern auf der ganzen Welt seit Jahrzehnten in Aussicht stellt: Schnelle und empfindliche Quantensensoren, Hilfstechnologie für Speicher in Atomgröße und besonders sichere, verschlüsselte Datenströme.

Eine zweite Quantenrevolution?

Das Fachgebiet erlebt nicht zuletzt durch Schlagworte wie Quantencomputer und -kryptografie in den letzten Jahren einen Aufschwung. Große amerikanische Firmen und Forschungseinrichtungen sorgen mit Investitionen von hunderten Millionen Dollar für Aufsehen. Nun würdigt die Europäische Union das über 100 Jahre alte Teilgebiet der Physik mit einer sogenannten “Flagship Initiative on Quantum Technologies” für das Jahr 2018. Die Politik arbeitet daran, die Industrie für die neuartigen Techniken noch weiter zu begeistern und sie zu Kooperationen mit den Forschern zu bewegen. Eine bevorstehende zweite Quantenrevolution ist daher in aller Munde. “Was die erste war? Die neue Quantentheorie selbst und deren Einfluss auf die technische Entwicklung”, erklärt Oliver Benson, Leiter der AG Nanooptik. “Das Verstehen der Natur im Kleinen führte letztendlich zum Halbleiter-Transistor und Lasern, die wir im Alltag zum Beispiel in Computern und Handys nutzen.”

Nun arbeiteten die Physiker aber daran, noch exotischere Effekte nutzbar zu machen. Denn die Eigenschaften kleinster Teilchen auf mikroskopischer Ebene entziehen sich unseren alltäglichen Erfahrungswerten in der makroskopischen Welt. Objekte sind nicht mehr einfach einzuordnen, sie sind plötzlich Wellen und Teilchen zugleich. Sie besitzen Eigenschaften wie einen “Spin” und eine “Phase”, die unter anderem zur Informationsspeicherung bei neuartigen Computern dienen können. Oder sie sind miteinander gar auf magisch scheinende Weise trotz großer Distanzen verbunden und könnten die Kommunikation revolutionieren. Es gibt keine klar definierten Orte mehr und Zuständen und Aussagen werden in Wahrscheinlichkeiten angegeben, statt in einfacher Ja-Nein-Form. Begriffe wie "hier" und "dort" verschwimmen und verlieren in der Welt der Quanten ihre Gültigkeit. An ihre Stelle treten Wahrscheinlichkeitsgleichungen und eine Unschärfe, die die Quantentheorie für den menschlichen Verstand zu einem schwer verdaulichen Brocken macht.

Die Quantenwelt erscheint paradox und fremd

Physiker Oliver Benson, Leiter der AG Nanooptik, vor einem Versuchslaser zur Messung von Magnetfeldern auf einer Nanometer-Skala.

Physiker Oliver Benson, Leiter der AG Nanooptik,
vor einem Versuchslaser zur Messung von
Magnetfeldern auf einer Nanometer-Skala.
Abbildung: Peter Gotzner

"Dass wir Quanteneffekte nicht beobachten können, liegt an der biologischen Entwicklung unserer Wahrnehmung”, sagt Benson. “Was wir sehen, empfinden wir nicht als ungewöhnlich. Aber im mikroskopischen Bereich ablaufende Prozesse kommen uns  Menschen merkwürdig vor. Das definiert eigentlich erst spezifische Phänomene der Quantenphysik." Weiter sei es unserer Evolution zuzuschreiben, dass die winzige Quantenwelt von Natur aus so paradox und fremd erscheint.

Doch gerade das Empfindliche und Schnelle dieser Sphären bietet Forschern wie Benson neue Perspektiven, wenn es um ihren Einsatz geht: Kompakte Quantensensoren seien neben der Informationsverarbeitung beispielsweise eine vielversprechende Anwendungsmöglichkeit, so der Physiker. Da die Teilchen, die die Forscher nutzen ohnehin sehr klein sind, könnten neuartige Sensoren hochempfindlich und miniaturisiert zugleich sein. So eignen sich die in den schimmernden Laboren der HU entwickelten Methoden unter anderem für eine besonders genaue Messung von Magnetfeldern. In der Medizin könnten die zukünftig einen völlig neuen Einblick in biologische Prozesse liefern, erklärt Benson.

Masterstudiengang “Optical Sciences“ an der HU

“Stellen sie sich eine Zelle vor, in die man ein kleines Quantenobjekt einbringt und sehr lokal Magnetfelder der Moleküle in der Zelle messen kann, oder eine extrem genaue Messung von Magnetfeldern bei Gehirnströmen, ohne dabei den Kopf in ein großes Magnetfeld halten zu müssen, wie es heute noch der Fall ist”, schwärmt er. Aber auch ein Quanten-Zufallsgenerator und Kommunikationsstrecken, die verschlüsselte Daten austauschen sind Arbeitsfelder der Physiker. Seinen Beitrag zum immer weiter wachsenden Feld der Quantentechnik leistet seit 2015 sogar ein Masterstudiengang “Optical Sciences“ an der HU.

Auch international gesehen sind Benson und seine Kollegen gut aufgestellt. Als die Wiege der Quantenmechanik hatte Deutschland und vor allem Berlin aus historischer Sicht schon immer einen festen Spitzenplatz in der Forschung inne. Einen Ruf, den die Forscher der HU mit Ihrer Arbeit verteidigen, gerade weil es in der schnelllebigen Forschungslandschaft nicht möglich ist, sich auf alten Verdiensten auszuruhen. Doch ganz ohne Wirkung ist der Charme der Geburtsstätte der Quantenphysik auch heute nicht, räumt Benson ein: “Die Forschung fängt mit der Ausbildung motivierter Studierender an. Für die Faszination und Motivation leisten die historischen Spuren hier vor Ort sicher einen Beitrag. In Berlin zu sein, wo Albert Einstein und Max Planck gelesen haben: das hat seinen Reiz.”

Autor: Peter Gotzner

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