Atome und Lichtteilchen fast am absoluten Nullpunkt. Das ist die Welt der Quantenphysik, über die vor fast hundert Jahren bereits Albert Einstein nachgedacht hat. Damals galt  als Gedankenexperiment verwegen, was heute in den Labors tatsächlich Realität wird. David Wineland und Serge Haroche haben mit ihren Forschungen den Weg zum Quantencomputer geebnet. Möglicherweise hat die Natur aber Schranken eingebaut, meint Professor Wolfgang Ertmer vom Institut für Quantenoptik der Universität Hannover.

Herr Professor Ertmer, die Quantentheorie ist bereits 112 Jahre alt. Warum warten wir noch immer auf den Quantencomputer?

Die erste praktische Anwendung der Quantentheorie war der Laser, der ja heute in jedem DVD-Player steckt. David Wineland hat Ende der 70er-Jahre einen großen Durchbruch erreicht, als er zusammen mit Theodor  Hänsch die Laserkühlung von Atomen und Ionen vorschlug und mit einem Laser Ionen in einer Ionenfalle abgekühlt hat.  Diese Ionen, also positiv geladene  Atome , befanden sich gefangen in einem elektromagnetischen Feld, einer sogenannten Ionenfalle  (Nobelpreis Wolfgang Paul  1989).   Mit dem Laserlicht kann man die Ionen  soweit  herunterkühlen, dass sie sich  im quantenmechanischen Grundzustand der Bewegung befinden, denn die Frequenz mit dem das Ion schwingt, sind gequantelt.   Und hier wird es spannend, denn das ist schon der Grundbaustein für einen Quantencomputer: Wenn ich  mehrere Ionen in so einer Falle habe, dann kann ich über die innere Anregung der Ionen sogenannte Quantenbtis  (Qubits) erzeugen und diese über ihre Bewegung in der Falle  korrelieren.

 

Der Quantencomputer ist ja eine der großen Verheißungen für die Zukunft.

Vor allem in der Grundlagenforschung wird er völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Die Simulation von komplexen Quantensystemen ist mit heutigen Computern noch nicht möglich. Auch darüber hinaus wird die Rechenleistung enorm sein.

 

Müssen sich die Geheimdienste und Banken fürchten? Der Quantencomputer würde heutige Verschlüsselungen rasch knacken.

Richtig, aber bis dahin stünde die Quantenverschlüsselung zur Verfügung, sie könnten damit Dinge wirklich geheim halten.

 

Wineland  experimentiert auch mit Atomuhren, die Hunderte Mal präziser arbeiten als unsere mit Cäsium arbeitenden Uhren. Wofür benötigen wir solche genauen Uhren?

Wir wissen bisher nicht, wie Einsteins Gravitationstheorie mit der Quantenwelt theoretisch zusammenkommt. Das ist eine der großen offenen Fragen der Physik, wie Raumzeit, Gravitation und Quantenwelt zu verbinden sind. Eine der Vermutungen ist, dass eine Naturkonstante wie die Feinstrukturkonstante – sie beschreibt etwa die Aufspaltung der Spektrallinien im Spektrum der Atome – gar keine wirkliche Konstante ist. Wenn ich das messen möchte, dann benötige ich solche extrem genauen Atomuhren. Ein weiteres Beispiel ist, dass die Zeit je nach Abstand zum Schwerefeld der Erde verschieden schnell läuft. Mit den neuen Atomuhren kann auf diese Weise die Höhe bereits auf zehn Zentimeter genau gemessen werden. Das ist für die Navigation von Satelliten und Flugzeugen, aber auch für  die Vermessung der Erdoberfläche  von enormer Bedeutung.

 

Noch erstaunlicher sind ja die Experimente von Serge Haroche. Wie kann man denn Lichtteilchen einsperren, die sich sonst mit  Lichtgeschwindigkeit bewegen?

Photonen, also Lichtteilchen, sind extrem fragile Systeme. Ein Ion geht nicht so schnell kaputt, aber ein Photon in einem Mikrowellenresonator lebt nicht einmal Nanosekunden, dann ist es absorbiert. Haroche hat ganz raffinierte Spiegel  entwickelt, mit denen er die Photonen eine zehntel Sekunde am Leben halten konnte. Das ist eine enorm lange Zeit in der Welt der Photonen.  Von dem ganzen Versuchsaufbau habe ich natürlich nur etwas, wenn ich weiß, was da drin vor sich geht. Dafür hat er  Messmethoden entwickelt, die den Quantenzustand nicht zerstören.

 

Aber hier stoßen wir bereits wieder an ein zentrales Rätsel der Physik: Wie geht eigentlich ein Quantensystem in unsere klassische  physikalische Welt über? 

Auch hier hat Haroche erste Antworten gefunden. Um ein berühmtes Gleichnis aus der Quantenphysik zu bemühen: Je größer Schrödingers Katze ist, umso kürzer lebt sie. Es könnte also sein, dass die Natur die Anzahl zu verschränkender Teilchen durch die Lebensdauer begrenzt. Falls das so wäre, wir wissen es noch nicht, dann würde der Quantencomputer noch schwieriger zu realisieren sein.

 

Das Gespräch führte Karl-Heinz Karisch.