Serge Haroche

Das Nobelpreiskomittee ehrt dieses Jahr Serge Haroche vom Collège de France und der École Normale Supérieure in Paris sowie David Wineland vom National Institute of Standards and Technology und der University of Boulder, USA. Zusammen mit ihren Kollegen haben die beiden Physiker unabhängig voneinander experimentelle Methoden entwickelt, mit denen sich einzelne Quantensysteme messen und kontrollieren lassen – ohne dabei deren quantenmechanischen Zustand zu verändern. Damit hätten die beiden Forscher die Tür zu einer neuen Ära des Experimentierens eröffnet, so die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften.

Die uns bekannte Materie besteht aus Atomen, Elektronen und weiteren Quantenteilchen. Und doch könnten die in der Alltagswelt und der Quantenwelt geltenden Gesetze verschiedenartiger nicht sein. In unserer makroskopischen Welt lässt sich vieles im Voraus berechnen, sogar – in gewissen Grenzen – der Wurf eines Würfels. Im Fall von Quantenteilchen entscheidet allein der (echte) Zufall, welches Ergebnis die Messung einer seiner Eigenschaften liefert. Bis dahin lassen sich lediglich Wahrscheinlichkeiten für seinen Quantenzustand angeben, etwa für einen bestimmten Ort oder eine bestimmte Energie.

Tot oder lebendig?

Mathematisch lässt sich das Verhalten eines Quantenobjekts sehr gut durch eine Wellenfunktion beschreiben, die alle möglichen Messergebnisse in einer Überlagerung enthält. Erst eine Messung lässt die Menge an möglichen Werten auf einen konkreten Wert zusammenschrumpfen. Diese Interpretation führte Erwin Schrödinger zu seinem berühmten Gedankenexperiment: Das Leben einer Katze ist hierin an den Zerfall eines radioaktiven Atomkerns gekoppelt. Solange keiner die von der Außenwelt isolierte Kiste öffnet und nachschaut, ob das Tier lebendig oder bereits tot ist, müsste es gleichzeitig in beiden Zuständen verharren. Schließlich hängt ihr Dasein von dem Zerfall des radioaktiven Kerns ab, der wiederum durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben wird. Erst wenn man nachschaut, entscheidet sich, ob die Katze tot oder lebendig ist.

David J. Wineland

Diese Eigenart der winzigen Teilchen stellt Quantenmechaniker vor ein großes Problem: Die Eigenschaften eines Systems lassen sich nicht messen, ohne damit das System zu verändern. Haroche und Wineland haben es zusammen mit ihren Forschungsgruppen geschafft, diese Hürde zu überwinden – und damit gewissermaßen einen unbemerkten Blick in Schrödingers Kiste zu werfen.

David Wineland fing in seinem Labor in Boulder, US-Bundesstaat Colorado, zunächst einige Ionen mithilfe von elektrischen Feldern ein. Die Idee einer solchen Ionenfalle wurde übrigens 1989 mit dem Nobelpreis an Dehmelt und Paul ausgezeichnet. Um die Quantenteilchen vor störenden Einflüssen abzuschirmen, führten Wineland seine Kollegen die Experimente unter Vakuum und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt durch. Dann schickten sie maßgeschneiderte Laserpulse auf die Ionen und konnten deren Eigenschaften so gezielt kontrollieren.

Es gelang ihnen mit dieser Methode, die Teilchen noch weiter abzukühlen und in einen quantenmechanischen Grundzustand zu versetzen. Zudem ließen sich die Ionen mithilfe des Lasers gleichzeitig in zwei verschiedene Zustände bringen, beispielsweise in eine Superposition aus zwei verschiedenen Energieniveaus. Mit dieser Technik erlangten sie eine bisher unvorstellbare Kontrolle über die Quantenzustände einzelner Ionen und damit bisher unerreichte Einblicke in die Quantenwelt.

Ionenfalle

Zwischen den Spiegeln

Das Team um Serge Haroche nähert sich der mikroskopischen Welt mit einer etwas anderen Methode: In einer winzigen Kammer lassen sie Mikrowellenphotonen unzählige Male zwischen zwei Spiegeln hin- und herreflektieren. Auf diese Weise kann ein einzelnes Lichtteilchen rund 40.000 Kilometer zurücklegen – das entspricht etwa einer Reise um die Erde – und sich nahezu eine Zehntelsekunde lang im Resonator aufhalten, bevor es verloren geht oder absorbiert wird.

Während dieser Zeit schicken die Wissenschaftler speziell präparierte Rubidiumatome, sogenannte Rydbergatome, durch den Resonator. Diese Partikel besitzen einen Radius von etwa 125 Nanometern und sind damit rund tausendmal größer als gewöhnliche Atome, vor allem aber reagieren sie extrem empfindlich auf schwache elektrische Felder – wie das eines Photons. Tritt ein Rubidiumatom mit einem Mikrowellenphoton in Wechselwirkung, verschieben sich deshalb seine atomaren Energieniveaus geringfügig. Und genau das prüfen die Forscher nachdem die Atome die Kammer durchlaufen haben, um zu erfahren, ob sich dort ein Photon befindet oder nicht.

Der Clou an der Methode: Das Photon in der Resonatorkammer nimmt durch die Messung keinen Schaden. Haroche und seinen Kollegen konnten damit also erstmals einzelne Lichtteilchen zählen, ohne diese dabei gleichzeitig zu zerstören. Indem die Forscher einen Strahl von mehreren hundert Rydbergatomen pro Sekunde durch die Kammer schossen, ließ sich ein einzelnes Photon sogar über einen längeren Zeitraum verfolgen. So konnten sie Schritt für Schritt und in Echtzeit verfolgen, wie sich ein Quantensystem entwickelt – und von einer quantenmechanischen Superposition aus verschiedenen Zuständen in einen wohl definierten, klassischen Zustand übergeht.

Mikrowellenresonator

Grundlage für neue Technologien

Die von Wineland und Haroche entwickelten Techniken erlaubten aber nicht nur erstmals die Schwelle zwischen Quanten- und Alltagswelt zu erkunden. Sie ermöglichten auch die ersten Schritte auf dem Weg zum Quantencomputer. So könnten die eingesperrten Ionen hierin als Quantenbits („Qubits“) dienen und Informationen bestimmter Art viel effizienter verarbeiten als die klassischen Gegenstücke. Tatsächlich waren Wineland und seine Kollegen 1995 erstmals in der Lage, eine Rechenoperation mit zwei Qubits aus Berylliumionen durchzuführen. Seither hat sich dieses Feld rasant entwickelt: Weltweit forschen Gruppen an dem Rechner der Zukunft.

Die gezielt kontrollierbaren Ionen ermöglichten auch den Bau von noch präziseren Atomuhren. Während die heute zur Zeitmessung eingesetzten Cäsiumuhren mit Frequenzen im Mikrowellenbereich arbeiten, nutzen die neuen Modelle optische Frequenzen. Das macht sie mehr als hundertfach genauer, sodass sie künftig die Basis für einen neuen Zeitstandard bilden könnten: Eine von Wineland und seinem Team gebaute optische Uhr ginge in rund 14 Milliarden Jahren – das entspricht etwa der seit dem Urknall vergangenen Zeit – nur rund fünf Sekunden falsch. Mit dieser Genauigkeit lassen sich unter anderem von der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagte Effekte messen.