„Basis für Erkenntnisse, von denen die Quantenphysik träumt“

Prof. Dr. Vahid Sandoghdar, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik des Lichts, erklärt, warum er sich über die Vergabe des Nobelpreises für Physik an Serge Haroche und David Wineland besonders freut – und warum ihre Arbeit für die Quantenphysik einen echten Meilenstein bedeutet.

Serge Haroche und David Wineland, diesjährige Nobelpreisträger in Physik, haben in der Tat Großes geleistet: Es ist ihnen gelungen, wissenschaftliche Ideen und Szenarien, die man seit etwa 100 Jahren in der Quantenphysik als reine „Gedankenexperimente“ durchdekliniert, unter exzellenten Laborbedingungen umzusetzen – und zwar so sauber und rein, wie es, so die bisherige Meinung, tatsächlich nur in Gedanken möglich ist. Insofern erhalten sie einen Nobelpreis für bahnbrechende Grundlagenforschung, deren Nutzen für die Welt noch nicht unmittelbar in einer Anwendung gipfelt, aber wegweisenden Charakter hat.

Was genau steckt hinter diesem Gedankenexperiment? Zunächst hat Serge Haroche sich mit sehr grundlegenden Fragen in der Licht-Materie-Wechselwirkung beschäftigt, in der ein grundsätzliches Szenario vorsieht, dass  ein einzelnes Photon – also ein einzelnes Lichtteilchen – mit einem einzelnen Atom in Wechselwirkung tritt. Da Photonen sich sehr schnell bewegen und ein Atom sehr klein ist, ist diese Wechselwirkung üblicherweise nicht sehr stark ausgeprägt – eine Kommunikation zwischen dem Photon und dem Atom also schwierig. In einer Reihe von Experimenten über 25 Jahre hinweg hat Serge Haroche Methoden entwickelt, um das Licht zwischen zwei Spiegeln, in einem so genannten Resonator, einzufangen. Auf diese Weise bleibt das Photon länger in der Wechselwirkung mit dem Atom als wenn es einfach nur vorbeiflöge. Das Unterfangen ist technisch schwierig, es bedarf hoher experimenteller  Kunst. Zum einen ist es eine große Herausforderung, eine sehr hohe Resonator-Güte (ein Maß für die Zeit, die ein Photon in dem Resonator gefangen bleibt) zu erreichen, damit ein Photon mehrere 100.000 Male zwischen den Spiegeln hin und her geschickt wird. Zum anderen muss man die Experimente bei -272 °C durchführen.

Aufbauend auf dieser Experimentstruktur hat Haroche über Jahre dann konsequent die Wechselwirkung zwischen Photon und Atom – und schließlich zwischen mehreren Photonen und einem einzelnen Atom – sehr kontrolliert im Labor untersucht. Insbesondere hat er auf eine elegante Weise die Grenze zwischen der Quantenphysik –die Welt der einzelnen Atome und einzelne Photonen – und der klassischen Physik –also die makroskopische Welt der Materie und des Lichts – untersucht, an der  merkwürdige Phänomene wie Verschränkung – das ist eine geisterhafte Quantenkorrelation zwischen mehreren Teilchen – ins Spiel kommen.

Beherrschung dieser Wechselwirkung ist die Bedingung dafür, Information auf einem quantenmechanischen Weg zu bearbeiten und zu verarbeiten. Das Atom kann dabei zum Speicher für Information werden, während das Photon Träger für Information sein kann. Diese Art von Quanteninformationsverarbeitung ist wiederum die Basis für Technologien der Zukunft wie den Quantencomputer. Obwohl also die komplexen Experimente nicht sofort auf eine Anwendung übertragbar sind, schaffen sie doch  die Basis für Erkenntnisse, von denen die Quantenphysik seit Jahren träumt – und die vielleicht auch unsere Enkelkinder zum Chatten verwenden!

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Vahid Sandoghdar
Tel.: 09131/68 77 200