Düsseldorf Nobelpreis für Quantenphysik
Düsseldorf · Die beiden Physiker David Wineland und Serge Haroche haben aufwendige Apparaturen gebaut, die einzelne Teilchen festhalten können. Sie ermöglichen den Blick in den Kosmos der Quanten – eine Welt mit eigenen Gesetzen, die jahrzehntelang als experimentell nicht zugänglich galt.
Die Forschung der beiden Physik-Nobelpreisträger eröffnet den Blick in eine Welt voller Besonderheiten. Der Amerikaner David Wineland und der Franzose Serge Haroche werden von der Nobelpreis-Stiftung geehrt, weil sie die Tür zur Quantenmechanik einen Spalt geöffnet haben. Sie entwickelten Werkzeuge für den Blick in die kleinste Dimension unserer Welt, die unser Vorstellungsvermögen übersteigt und erst nach einem tiefen Eintauchen in die komplizierte Quantentheorie verständlich wird. Eine Welt, die bestimmt wird durch Quantenzustände, einer Art Beschreibung der Energie eines einzelnen Teilchens. In der in den 1930er Jahren entwickelten und mehrfach bestätigten Theorie gelten eigene Gesetze, die teilweise unseren Erfahrungswerten widersprechen und mit dem Wechsel zwischen verschiedenen Quantenzuständen beschrieben werden.
Aber dort schlummern auch faszinierende Möglichkeiten, etwa der Quantencomputer, dessen Rechenvermögen allen derzeit bekannten Computerchips weit überlegen wäre, weil ein Teilchen nicht wie im herkömmlichen Computer nur "0" und "1" darstellen, sondern sehr viel mehr Zustände einnehmen kann. Aber der Bau dieses Super-Computers liegt noch sehr weit in der Zukunft – falls er überhaupt gelingt. "Bis zum Ende dieses Jahrhunderts könnte es vielleicht etwas werden", schätzte der schwedische Physiker Gunnar Ingelman in seiner Laudatio für die Preisträger.
Die Forschung von Haroche und Wineland klingt zunächst wie der Bau eines besonders empfindlichen Mikroskops für die Quantenwelt, doch dieser Vergleich ist falsch. Denn es geht nicht darum, den Quantenzustand der Teilchen optisch darzustellen. Das Auge ist ungeeignet zur Beobachtung; es handelt sich um eine Zustandsbeschreibung von einzelnen Atomen, die am besten durch deren Wechselwirkung mit anderen Teilchen beschrieben werden kann.
Serge Haroche und David Wineland haben unabhängig voneinander für ihre Beobachtungen deshalb eigene Fallen für kleinste Teilchen gebaut, die das Nobel-Komitee gestern als "bahnbrechende experimentelle Methoden" bezeichnete, weil sie die Teilchen unversehrt lasse. Es sei keine spezielle neue Entdeckung ausgezeichnet worden, sondern das Lebenswerk der beiden, das zu einem tieferen Verständnis der Quantenphysik geführt habe, erklärt der Physiker Wolfgang Sandner aus Berlin. Ein erwartbarer Nobelpreis.
Die beiden Quantendompteure sind nämlich Meister im Bändigen einzelner Teilchen. Sie fangen etwa elektrisch geladene Atome (Ionen) oder Lichtteilchen (Photonen) in speziell konstruierten Fallen und können sie dort beobachten und gezielt manipulieren. Das ist nicht selbstverständlich, denn abgesehen von der Schwierigkeit, einzelne Teilchen einzufangen, werden die Quanten in der Regel zerstört, wenn man sie beobachtet.
Serge Haroche fängt Photonen ein: Teilchen, die das Licht transportieren. Diese Lichtfallen stehen in seinem Labor am Collège de France in Paris. Darin spiegeln Photonen zwischen zwei gekrümmten Spiegeln hin und her. Durch diesen Weg werden dann Atome hindurchgeschickt, deren Quantenzustand danach etwas über die eingesperrten Photonen verrät – so lassen sich verschiedene Quantenzustände messen. Das galt lange als völlig unmöglich und bestenfalls mit Gedankenexperimenten vorstellbar.
US-Kollege David Wineland hingegen sperrte am National Institute of Standards and Technology in Boulder (US-Staat Colorado) elektrisch geladene Teilchen (Ionen) ein, indem er sie in elektrische Felder zwang, aus denen sie nicht herauskönnen. Mit Laserlicht kann die Bewegung der Ionen dann bis fast zum Stillstand gebremst werden. In diesem besonderen Zustand lassen sich viele neue Experimente zur Quantenphysik starten.
Das erlaubt eine Reihe neuer Anwendungen – viele theoretische, noch wenig praktische: Schon bald könnten neue Atomuhren herkömmliche Hochpräzisionszeitmesser ablösen. Statt der Schwingungen eines Cäsium-Atoms werden in ihnen beispielsweise die Schwingungen von Aluminium-Ionen gezählt, und die sind hundertmal schneller – entsprechend genauer geht diese Atomuhr dann.
