An der Schwelle zur Quantenwelt

"Die Quanten sind doch eine hoffnungslose Schweinerei!" Max Born in einem Brief an Albert Einstein

Die Welt des Allerkleinsten gehorcht anderen Gesetzen als unsere vertraute, makroskopische Welt. Theoretische Grundlage dafür ist die Quantentheorie, die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde und die Vorgänge im Bereich mikroskopischer Maßstäbe mathematisch beschreibt und deutet. Sie stellt die Gesetze der Logik in der Natur in Frage und kippt den Menschen vom sicher geglaubten Thron des unbeteiligten Beobachters.

Ein Beispiel für die Gesetze der Quantenmechanik ist der radioaktive Zerfall: Niemand kann vorhersagen, wann ein bestimmtes radioaktives Atom zerfällt; es geschieht zwar nach einem statistischen Muster, aber immer zufällig. In der Welt der Quantenphysik haben viele Vorgänge keine konkrete Ursache und gehorchen einzig und allein dem Zufallsprinzip - eine Idee, die für die Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts völlig neu war. Sie bricht mit der logischen Vorstellung, dass Ursache und Wirkung die Welt bestimmen, was spätestens seit Newton als ehernes Gesetz galt.

Schrödingers Katze - tot und doch lebendig

Schrödingers Katze

Bildbeschreibung:
Schrödingers Katze
In einer verschlossenen Kiste befindet sich eine Katze zusammen mit einem radioaktiven Atom und einem Fläschchen Gift. Zerfällt das Atom, löst dies einen Mechanismus aus, der die Flasche zerschlägt; die Katze atmet die Giftdämpfe ein und stirbt. Nach der Quantentheorie gibt es zwar eine statistische Wahrscheinlichkeit für den Zerfall des Atoms, wann es aber tatsächlich zerfällt, ist vollkommen dem Zufall überlassen. Wäre auch die an dieses System gekoppelte Katze ein quantenmechanisches Objekt, so wäre auch der Zustand der Katze ungewiss. Solange man die Kiste nicht öffnet, also eine Messung vornimmt, weiß man nicht, ob die Katze noch lebt oder schon tot ist. Nach den Regeln der Quantenmechanik wäre die Katze bis zum Öffnen der Kiste weder tot noch lebendig, sondern eine "Überlagerung" der beiden Zustände "Katze tot" und "Katze lebendig". Erst wenn der Beobachter hineinschaut, müsste sie sich für einen Zustand "entscheiden". In der normalen Welt mit richtigen Katzen ist das natürlich nicht so. Deshalb ist "Schrödingers Katze" zum Glück ein rein gedanklicher Tierversuch geblieben.

Einer der Schöpfer der Quantenmechanik war der österreichische Physiker Erwin Schrödinger. Im Jahr 1935 versuchte er, eine weitere für uns schwer vorzustellende Folge der Quantentheorie mit Hilfe eines Gleichnisses zu verdeutlichen: "Schrödingers Katze" wurde geboren und bald weltberühmt.

Die Ungewissheit über den Zustand der Welt, die in diesem Gleichnis beschrieben wird, ist fundamental für die Sichtweise der Quantenmechanik. Sie arbeitet mit der Vorstellung, dass sich die verschiedenen Zustände, die ein System annehmen kann (z. B. "Katze tot" und "Katze lebendig") überlagern. Kein Teilchen befindet sich zu einer bestimmten Zeit genau an einem bestimmten Ort, kein Lichtstrahl ist nur hier und nicht gleichzeitig woanders, selbst das Vakuum, die absolute Leere, ist erfüllt von einer Vielzahl von Teilchen und Wellen, die aus dem Nichts kommen und nach kurzer Zeit wieder verschwinden. Diese seltsame, unbestimmte Welt des Verschwommenen und Ungenauen verwandelt sich jedoch schlagartig in unsere gewohnte, fest gefügte Welt des Erfahrbaren, wenn man daran geht, etwas zu messen. Bei der Katze ist das "Messgerät" der Beobachter, der die Kiste öffnet und hineinschaut. Man kann also sagen, Messgeräte verändern die Welt. Sie verwandeln Ungewisses in Gewissheit und Verschwommenes in exakte Daten. Diese ungewöhnliche Idee hat schon viele philosophische Zirkel beschäftigt - vor allem der Übergang von der einen, mikroskopischen, in die andere makroskopische Welt liegt noch im Dunkeln.

Der Schritt an die Grenzen

Erst in jüngster Zeit gibt es eine Reihe von Experimenten, die sich auf raffinierte Weise der Grenze zur Quantenmechanik nähern, etwa indem sie Objekte erzeugen, die zwar makroskopisch beobachtbar sind, aber trotzdem quantenmechanischen Gesetzen gehorchen. So gelang es beispielsweise in den letzten Jahren, Atome in magnetischen Fallen fast bis zum absoluten Nullpunkt (er entspricht -273,15 °C oder Null Kelvin) zu kühlen. Sie bilden dann ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, eine Ansammlung von Materie, für die die Gesetze der Quantenmechanik gelten, obwohl ihre Ausdehnung Millimetergröße erreicht. Rund eine Million Atome bringt man in den tiefstmöglichen Energiezustand - sie werden dadurch vollkommen ununterscheidbar und verhalten sich wie ein einziges Riesenatom! Ferner gelingt es, aus einem solchen Bose-Einstein-Kondensat mit Hilfe von Radiowellen Atome herauszulösen. Unter dem Einfluss der Schwerkraft fallen sie aus der Atomfalle heraus nach unten und bilden dabei einen kontinuierlichen Strahl. Man nennt eine derartige Anordnung einen Atomlaser.

Es handelt sich um ein Gerät, das nicht wie ein Laser Photonen, sondern Atome aussendet, die völlig gleich orientiert und sehr eng gebündelt sind. Eine ganze Reihe praktischer Anwendungsmöglichkeiten sind dafür denkbar: Man erwartet noch genauere Messmethoden für die Zeit und für die Stärke der Gravitation. Falls es gelingt, ihre Intensität zu steigern, könnte man mit einem Atomlaser wie mit einem Laserdrucker winzigste Strukturen direkt auf Halbleiterchips auftragen.

Bis die Handhabung derartiger Atomlaser aber so ausgereift ist, dass die Geräte problemlos in der Praxis eingesetzt werden können, werden wohl noch einige Jahre vergehen. Eines Tages können Atomlaser vielleicht so klein sein wie heute Halbleiterlaser. Wenn es auch noch gelingt, den "Nachschub" kalter Atome in der Falle kontinuierlich zu organisieren, lässt sich damit ein kontinuierlicher Laser aus Materiewellen herstellen.

Laser können auch kühlen

Das Verfahren der Laserkühlung

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Das Verfahren der Laserkühlung. Das gezeigte Atom hat eine Geschwindigkeitskomponente entgegen der Einstrahlungsrichtung des Lasers (a). Durch den Trick mit dem Dopplereffekt kann es deshalb die Photonen des Lasers aufnehmen - es wird angeregt. Durch den bei der Aufnahme der Photonen entstehenden Stoß wird das Atom abgebremst und damit gekühlt. Die anschließende Abgabe der eingestrahlten Photonen geschieht regellos und bewirkt deshalb im Mittel keine zusätzliche Beschleunigung (b). Der Prozess der Aufnahme und Abgabe der Laserphotonen muss viele Male und aus unterschiedlichen Raumrichtungen erfolgen, bis das Atom schließlich fast zum Stillstand gekommen ist. (Grafik: I&P)

Um Atome in magnetischen Fallen zu fangen, müssen sie so langsam (kalt) sein, dass die Forscher sie erwischen können. Deshalb kühlen die Physiker die bei Raumtemperatur sehr schnellen Atome zunächst vor. Dabei macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass Atome Energie nur in Portionen einer bestimmten Größe (den "Quanten") aufnehmen können. Diese Größe muss genau dem Abstand zwischen zwei Energieniveaus entsprechen. Man bestrahlt nun die Atome mit Laserlicht, dessen Photonen geringfügig unterhalb dieser Energie liegen, oder, anders gesagt, dessen Frequenz unterhalb der nötigen Frequenz liegt. Da sich die Atome bewegen, erkennen diejenigen, die dem Laserlicht entgegenfliegen, wegen des Dopplereffekts eine Frequenz, die etwas höher liegt. Sie entspricht dann genau der nötigen Absorptionsfrequenz: die Atome schlucken die Photonen.

Bei der Aufnahme jedes Photons bekommen die Atome einen Stoß, der ihre Geschwindigkeit entgegen der Einstrahlungsrichtung des Lasers verringert. Bei der anschließenden Wiederabgabe der Photonen erhalten die Atome jedes Mal einen Rückstoß. Da dieser aber regellos ist - das heißt, in alle Richtungen gehen kann - wird dadurch im Mittel keine Beschleunigung verursacht. Die Atome werden also in einer Richtung stark abgebremst und damit gekühlt. Um die Geschwindigkeit auch in den anderen Raumrichtungen zu reduzieren, bestrahlen die Wissenschaftler das Gas aus vielen verschiedenen Winkeln. Der Trick mit dem Dopplereffekt sorgt dafür, dass nur die Atome, die sich noch entgegen der Einstrahlungsrichtung bewegen, die Laserphotonen schlucken. So kann man die Atome schließlich nahezu zum Stillstand bringen und in speziellen Käfigen einsperren. Dieses "Laserkühlung" genannte Verfahren wurde inzwischen zu einer Standardmethode der Quantenphysiker.

Der Dopplereffekt tritt immer dann auf, wenn ein Sender oder ein Empfänger sich bewegt. Bei Schallwellen ist das Phänomen allgemein bekannt: Das Martinshorn eines Polizeifahrzeugs klingt höher, wenn das Auto heranfährt, tiefer, wenn es sich entfernt. Entsprechendes lässt sich auch bei elektromagnetischer Strahlung, etwa bei Licht, beobachten. Bewegen sich Sender und Empfänger aufeinander zu, erscheint die Frequenz höher, entfernen sie sich voneinander, erscheint sie niedriger.

Rechnen mit Quanten

Ein Experiment mit verschränkten Photonen

Bildbeschreibung:
Ein Experiment mit verschränkten Photonen. Mit speziellen Lasern lassen sich Kristalle so anregen, dass sie Photonenpaare abstrahlen. Das Bild zeigt Fluoreszenslicht aus einem solchen Kristall in Falschfarben. Die Ringe einer Farbe werden jeweils durch viele Photonenpaare erzeugt, die auf den Film der Kamera treffen. Jedes Photonenpaar trägt zur Entstehung des rechten und des linken Rings bei. In den Schnittpunkten der Kreise ist jedes Photonenpaar "verschränkt": wird an dem einen Photon etwas verändert, so reagiert darauf das zweite Photon - und zwar augenblicklich, ohne Rücksicht auf die Einschränkung durch die Lichtgeschwindigkeit. (Quelle: Institut für Experimentalphysik, Uni Wien)

Selbst Anwendungen der Quantenmechanik in der Computertechnik sind heute keine Luftschlösser mehr. Information ist bekanntlich aus Bits zusammengesetzt, mit denen herkömmliche Computer rechnen. Dort kann ein Bit den Wert Null oder Eins haben, und es wird repräsentiert durch den Ladungszustand eines Schaltelements. Ähnliche Strukturen findet man in der Quantenmechanik, dort gibt es "Zustände", die Null oder Eins entsprechen, etwa der Grund- und Anregungszustand eines Atoms oder die Drehrichtung eines kreiselnden Teilchens, Spin genannt. So liegt es nahe, diese Ähnlichkeit auszunutzen, um einen Computer zu bauen. Man nennt ihn "Quantencomputer". Ein angeregtes Atom könnte beispielsweise einer Eins entsprechen, eines im Grundzustand einer Null. Für die Bits der Quantenwelt hat sich auch schon ein Name eingebürgert: "Qubit".

Quantenmechanische Objekte können sich jedoch - wie oben geschildert - nicht nur in einem eindeutigen Zustand, sondern auch in einer Überlagerung mehrerer möglicher Zustände zur selben Zeit befinden. Man hätte so die Möglichkeit, in allen Zuständen gleichzeitig zu rechnen - ein höchst potenter Parallelrechner wäre realisiert.

Das Problem des Rechenwerkes ist jedoch das Gesetz der Quantenmechanik, dass die Überlagerung der Zustände nur so lange anhält, bis man das System durch ein Messgerät stört. Die Überlagerung bricht dann sofort zusammen, es bleibt nur ein einziger Zustand übrig, nämlich der ermittelte Messwert. In einem Quantencomputer kann man also viele parallele Rechnungen gleichzeitig durchführen, aber man kann jeweils nur ein bestimmtes Ergebnis ablesen, da die Messung die Überlagerung zum Kollabieren bringt - das Qubit wird zum ordinären Bit.

Telepathische Zwillinge

Der Dopplereffekt

Bildbeschreibung:
Dopplereffekt: Der Sender in Ruhe strahlt grünes Licht aus. Bewegt er sich, verändert sich die Wellenlänge und damit auch die Farbe. In der Bewegungsrichtung werden die Wellen gestaucht, auf der anderen Seite auseinander gezogen. (Grafik: I&P)

Die Lage ist ernst, aber nicht hoffnungslos, denn kreative Forscher finden immer neue Tricks. So gelang vor kurzem die Produktion von so genannten verschränkten Teilchen. Auch hier handelt es sich um einen Quanteneffekt, und zwar um einen äußerst erstaunlichen, den sich Einstein mit ein paar Kollegen 1935 zunächst als bloßes Gedankenexperiment ausgedacht hat. Werden zum Beispiel zwei Lichtquanten gleichzeitig im selben Prozess erzeugt, dann bleiben ihre Eigenschaften, etwa die Richtung ihrer Polarisation, aneinander gekoppelt ("verschränkt"), auch wenn sich die beiden Quanten mit Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen. Verändert man das eine Quant, dann "fühlt" das Zwillingsquant - so weit es auch entfernt sein mag - das sofort und verändert sich ebenfalls. Der Effekt, der nach seinen Erfindern Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon heißt, bringt die Physiker ins Schwärmen: Man könnte damit, so glauben sie, die simultane Kopplung von Daten in unterschiedlichen Speichern bewerkstelligen, unabhängig von äußeren Einflüssen, sozusagen in Form von Telepathie zwischen den Quanten. Dass dies keine reine Fantasterei ist, belegen erste Experimente.

Konkrete Hoffnungen auf einen funktionierenden Quantencomputer sind also inzwischen berechtigt. Immerhin wurde das physikalische Grundprinzip schon gezeigt, und erste Ansätze von Software sind ebenfalls im Entstehen. Wenn man bedenkt, wie primitiv 1947 der erste Transistor aussah und was bis heute daraus geworden ist, kann man, zumindest was die technische Seite betrifft, optimistisch sein.

Magnetischer Käfig

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Der mit Hilfe von Radiowellen "angebohrte" magnetische Käfig lässt Rubidiumatome als Materiewellenstrahl entkommen. (Quelle: MPI für Quantenoptik/ Philip Morris)

Bose-Einstein-Kondensat und Atomlaser

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Bose-Einstein-Kondensat und Atomlaser
Über der Fläche, auf der sich die Atome befinden, ist die Dichte ihrer Verteilung auf dieser Fläche aufgetragen. Alle Atome sitzen in einem eng begrenzten Gebiet - dort ist die Dichte sehr hoch (Säule mit roter Spitze). Mit Hilfe von Radiowellen werden Atome aus diesem Bose-Einstein-Kondensat herausgelöst. Sie bilden einen kontinuierlichen Strahl. Er ist als Keil zu sehen, der über die Ebene verläuft. (Quelle: MPI für Quantenoptik)

Ultrahochvakuum-Kammer

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Ein Gas aus Rubidium-Atomen wird in einer Ultrahochvakuum-Kammer mittels sogenannter Laserkühlung auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. (Quelle: MPI für Quantenoptik/Philip Morris)