Theoretische Physik für die Praxis

Forschung + Innovation
Theoretische Physik für die Praxis

"Es leuchtet wie ein grüner Stern am dunklen Nachthimmel", schwärmt Rainer Blatt von dem Anblick eines Bariumatoms im Laserlicht. Der sonst eher nüchterne deutsch-österreichische Physiker ist Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Innsbruck.

DÜSSELDORF. Wissenschaftlich genau genommen, sind die zarten Leuchtpunkte keine vollständigen Atome, sondern Ionen. Der Verlust eines Elektrons hat sie elektrisch aufgeladen. Deshalb lassen sie sich wunderbar mit einem elektromagnetischen Feld einfangen und in einer "Ionenfalle" in der Schwebe halten.

Physiker können immer komplexere Quantensysteme künstlich im Labor herstellen. Als Bausteine ihrer Quantenkompositionen bevorzugen sie Lichtquanten (Photonen), Ionen oder ultrakalte Atome. Sie können inzwischen diese Quantensysteme direkt manipulieren, als schraubten sie an einem Motor. Ihr Werkzeugkasten enthält Schraubenschlüssel aus Laserlicht und Zwingen aus elektrischen und magnetischen Feldern.

Das faszinierende Forschungsgebiet boomt wie kein anderes der Physik. Fähige Experimentatoren können mit kleinen, hochkomplexen Apparaturen auf physikalische Goldadern stoßen. Die dafür nötigen finanziellen Mittel sind winzig im Vergleich zu Großforschungsanlagen, etwa Teilchenbeschleunigern. Vor allem jedoch sorgt der Forschungsgegenstand selbst für Euphorie: Nie zuvor war die Quantenphysik dem Experiment so offen zugänglich wie heute. Viele Ideen, die als Gedankenexperimente jahrzehntelang ein rein theoretisches Dasein fristeten, sind jetzt im Labor realisierbar. Und siehe da: Die Natur auf Ebene der Atome, Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen ist wirklich so "verrückt", wie sie Erwin Schrödinger 1935 in seinem Gedankenexperiment beschrieb (siehe Kasten). "Wir lernen jeden Tag etwas Neues", sagt Blatt. Im November 2005 konnte seine Gruppe im Magazin "Nature" einen Weltrekord melden: Blatts Mitarbeiter Hartmut Häffner formte mit seinem Team das erste "Quantenbyte" der Welt aus acht Calcium-Ionen. Damit überholten sie amerikanische Konkurrenten vom National Institute of Standards and Technology (NIST). Die Physiker aus Colorado hatten es "nur" mit sechs Beryllium-Ionen geschafft.

Wie das Byte klassischer Computer besteht auch ein Quantenbyte aus acht Bit. Bei diesen handelt es sich allerdings um Quantenbits, im Szenejargon Qubit genannt. Ein Qubit kann entweder die Information eins oder null repräsentieren. Darin unterscheidet es sich nicht von einem konventionellen Bit. Im Qubit werden beide Zahlen durch zwei geeignete Quantenzustände kodiert. Bei Ionen sind das unterschiedliche Energieniveaus, zwischen denen ein Elektron hin und her springen kann. Laserlichtpulse steuern diese Sprünge.

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