Physik-Nobelpreis 2012 Atome und Licht in Isolationshaft

Die Quantenphysik hat wie kaum eine andere Theorie das Weltbild verändert. Mit ihr kann man das Verhalten von Elektronen, Atomen, Molekülen, von fester, gasförmiger und flüssiger Materie sowie von elektromagnetischer Strahlung aller Art beschreiben. Hielten die Pioniere der Quantenphysik Experimente mit einzelnen Teilchen noch für unmöglich, so verschieben die Physiker heutzutage Atome und Moleküle auf Oberflächen, als wären es Billardkugeln. Mit speziellen Atom- und Ionenfallen lassen sich Atome oder Ionen von der Umgebung isolieren und für längere Zeit in der Schwebe halten. Auch einzelne Photonen, die Lichtquanten, können in winzige verspiegelte Resonatoren gesperrt und nach Belieben manipuliert werden.

Zwei findige Quantentüftler

Zu verdanken ist das dem technischen Fortschritt, vor allem aber dem Ideenreichtum von findigen Physikern. Dazu zählen ohne Zweifel David Wineland vom National Institute of Standards and Technology, Nist, in Boulder (Colorado) und Serge Haroche vom Collège de France in Paris. Beiden Wissenschaftlern wird in diesem Jahr der Nobelpreis für Physik zuerkannt - für die Entwicklung „bahnbrechender experimenteller Verfahren, die es erlauben Quantensysteme zu messen und zu manipulieren“, begründete die Nobel-Jury des Karolinska-Instituts in Stockholm ihre Entscheidung.

Wollen die Physiker mit einzelnen Teilchen arbeiten, müssen sie alle Register der Experimentierkunst ziehen. Atome beispielsweise befinden sich normalerweise in heftiger Bewegung. Bei Raumtemperatur haben sie Geschwindigkeiten von mehreren tausend Kilometern pro Stunde, die Bewegungsrichtungen sind völlig ungeordnet. Man muss die Teilchen deshalb stark abbremsen und bis an den Temperaturnullpunkt abkühlen bis sie fast in Ruhe sind. Physiker nutzen hierfür, neben einem guten Vakuum, abgestimmte Laserstrahlen und spezielle Käfige, in denen die geladenen Atome mit elektrischen und magnetischen Feldern auf einem kleinen Raumgebiet festgehalten werden.

Wegbereiter aus Bonn und Seattle

Die ersten Versuche, geladene Teilchen mit magnetischen und elektrischen Feldern einzufangen und festzuhalten, unternahm unter anderem in den sechziger Jahren Hans Georg Dehmelt an der University of Washington in Seattle. Anfang der siebziger Jahre stellte er einen Rekord auf, als er ein einzelnes Elektron zehn Monate lang in der Schwebe hielt.

David Wineland, der sein experimentelles Rüstzeug bei Dehmelt erlernte, hat die Speicherverfahren im Laufe der Zeit - mit Hilfe von ausgeklügelten  Kühltechniken mit Laserstrahlen  - so verfeinert, dass er ein einzelnes Ion, aber auch mehrere Teilchen, in seinen Käfigen einfangen, kühlen und längere Zeit von den störenden Einflüssen der Umwelt isolieren kann. Mit Laserpulsen, deren Wellenlänge auf bestimmte Energiezustände der Ionen abgestimmt ist, lassen sich die Teilchen gezielt anregen und wieder in den Grundzustand befördern.

Eine seltsame Zwitterexistenz

Winelands Techniken haben neue Möglichkeiten eröffnet, Aussagen der Quantenphysik experimentell zu überprüfen und detailliert zu studieren. So ist es gelungen, ein einfach geladenes Berylliumion eine Art Zwitterexistenz aufzuzwingen, wobei es sich gleichzeitig in zwei Quantenzuständen befindet - ein Verhalten, dass in der Alltagswelt keine Entsprechung hat. Doch das war nur der erste Schritt. Das Ion wurde durch weitere Laserpulse in eine spezielle Pendelbewegung versetzt. Dabei bewegte sich der eine Teil des Überlagerungszustands nach rechts und der andere nach links.

Experimente mit atomarer Perlenkette

Was sich mit einem einzelnen Ion erreicht werden konnte, haben Wineland und seine Kollegen auch mittlerweile mit mehreren Berylliumionen verwirklicht, die wie die Perlen einer Kette aufgereiht sind. Jedes Teilchen lässt sich mit einem entsprechenden Laserpuls anregen und in einen Überlagerungszustand befördern. Durch sanfte kurze Stöße zwischen den Teilchen lassen sich Quantenzustände von einem Nachbarn zum nächsten übertragen. Dadurch zeigen die Teilchen ein verschränktes Verhalten. Bestimmt man den Zustand eines Ions, liegt augenblicklich auch der Zustand des verschränkten Partners fest, ohne dass diese in direktem Kontakt stehen - ein Verhalten, das Albert Einstein einst als spukhafte Fernwirkung bezeichnete.

Stets absolute Kontrolle

Mit ihren Techniken können die Forscher um Wineland  auch die Quantenzustände der  Ionen  auf Photonen und wieder zurück übertragen. Dabei halten sie stets die Kontrolle über alle Vorgänge in ihrer Falle. Dadurch lassen sich unerwünschte Störungen etwa durch Wechselwirkungen mit benachbarten Teilchen, Photonen oder mit den Wänden der Falle  weitgehend vermeiden. Je besser man die  empfindlichen Quantenzustände von Umwelteinflüssen abschirmt, desto länger bleiben die Überlagerungszustände erhalten  und desto genauer kann man messen. Das ist keine leichte Aufgabe, wenn man gleichzeitig  die Quantenzustände gezielt manipulieren will. Wineland und seine Kollegen sind darin Meister ihres Fachs.

Weitere Artikel

• Nobelpreis für Medizin geht 2012 an John Gurdon und Shinya Yamanaka 
• Interaktiv: Die Nobelpreisträger 
• Der Rechner, der Unmögliches schafft 
• Quantencoup: Rekordjagd beim Beamen 

Das Studium solcher quantenmechanischer Überlagerungszustände ist nicht nur von theoretischem Interesse. Die Physiker um Wineland arbeiten an genaueren Atomuhren, die die schnellere optische Schwingung statt der Mikrowellenschwingung eines isolierten Ions nutzen. Auch bei der Entwicklung eines sogenannten Quantencomputers, der auf der Superposition von quantenmechanischen Zuständen beruht, forschen Wineland und seine Kollegen an vorderster Front. Anders als herkömmliche Rechner kann der Quantencomputer, der beispielsweise aus gespeicherten Ionen bestehen könnte, viele Rechenschritte gleichzeitig ausführen. Dadurch wäre er für viele Aufgaben um ein Vielfaches schneller als der zur Zeit leistungsfähigste Rechner.

Der zweite Preisträger, Serge Haroche, geht bei seinen Experimenten den umgekehrten Weg. Er sperrt eine Lichtwelle, die aus wenigen Photonen besteht, in einen verspiegelten Hohlraum ein und lässt sie mit Atomen reagieren, die er durch den Resonator schickt. Damit konnte der französische Forscher mit seinen Mitarbeitern ähnlich erstaunliche Experimente verwirklichen wie David Wineland.

Atome als Messsonden

Ein Atom etwa, das sich in einer Überlagerung von zwei Anregungszuständen befand und durch den Hohlraum flog, zwang die gefangene Lichtwelle ebenfalls in einen Überlagerungszustand. Die Welle war gleichzeitig in zwei verschiedene Richtungen polarisiert.  Haroche nutzte Atome auch als Messsonde, mit denen sich im Resonator gefangene Lichtteilchen nachweisen lassen. Auf diese Weise lässt sich der Lebenszyklus eines einzelnen Lichtteilchens - von der Entstehung bis zu seinem Verschwinden - gewissermaßen online verfolgen.  Von Experimenten wie sie Wineland und Haroche betreiben, konnten Albert Einstein, Niels Bohr und Werner Heisenberg nur träumen.