Wie Zeit die Quantenwelt entschlüsseln könnte
Die Quantenmechanik – die Theorie, die die physikalischen Eigenschaften der Natur auf atomarer und subatomarer Teilchenebene beschreibt – ist mysteriös, faszinierend und teils befremdlich. Das liegt zum Teil daran, dass die Gesetze der herkömmlichen Physik einfach nicht genügen, um die Ereignisse auf dieser Ebene ausreichend zu erklären. „Die Arbeit an der Theorie der Quantenmechanik begann vor etwa 100 Jahren vor dem Hintergrund, die Eigenschaften von Atomen zu erklären“, erklärt der Projektkoordinator von TempoQ, Otfried Gühne von der Universität Siegen in Deutschland. „Sie war eine fundamentale Theorie. In den 1980er- und 1990er-Jahren erkannten die Forschenden dann, dass die Quantenmechanik Erkenntnisse für die Informationsverarbeitung liefern könnte.“ Genauer gesagt entdeckte man, dass auf einem Quantencomputer (ein Gerät, das die kollektiven Eigenschaften der Quantenzustände ausnutzt) ausgeführte Algorithmen bestimmte Probleme schneller lösen können als herkömmliche Computer. Außerdem wurde nachgewiesen, dass Quantenphänomene in der Kryptografie eingesetzt werden können, um die Informationskommunikation sicherer zu machen. „Auch auf experimenteller Ebene wurden viele wichtige Entwicklungen erreicht“, fügt Gühne hinzu. „Forschende konnten in den vergangenen Jahrzehnten einzelne Atome einfangen und manipulieren.“
Zeitliche Zusammenhänge
Das über den Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt TempoQ wollte auf diesen Entwicklungen aufbauen, theoretisch wie experimentell, um bestimmte Phänomene auf Quantenebene zu untersuchen. Viele Forschende haben sich auf die räumlichen Zusammenhänge zwischen Atomen konzentriert, um die Quantenmechanik besser zu verstehen. Doch Gühne und sein Team wollen die zeitlichen Zusammenhänge betrachten. In anderen Worten wurden Messungen des gleichen Atoms in unterschiedlichen Zeiträumen vorgenommen. Dann haben Gühne und sein Team analysiert, was diese Messungen uns über die Quantenwelt verraten könnten. „Das war ein Grundlagenprojekt und näher an der Mathematik als praktischen Anwendungen an sich“, merkt Gühne an. „Konkret waren wir an der Bestimmung spezieller Messungen interessiert, die nur über die Quantentheorie erklärt werden können.“
Quantenentdeckungen
Die Experimente von Gühne und seinem Team haben die allgemeine Theorie der zeitlichen Zusammenhänge auf Quantenebene vorangebracht. Gleichzeitig konnten einige Quanteneigenschaften bewiesen werden, die mit herkömmlichen physikalischen Theorien nicht erklärt werden konnten. „Der Grundlagencharakter von TempoQ gestattete es auch, einige offene Fragen zu der Natur der Quantenmechanik zu beantworten“, sagt Gühne. „Das war zwar nicht geplant, aber wir konnte tatsächlich eine Hypothese über zeitliche Quantenzusammenhänge klären, die seit 25 Jahren offen war! Der promovierte Forschende, der an diesem Problem arbeitete, hat dafür sogar einen Preis erhalten.“ Der Erfolg des Projekts hat auch das Ansehen von Gühnes Forschungsgruppe angehoben und weitere Forschende und Lehrkräfte in das Labor gelockt. Auch wenn die Forschung nicht zu direkt erkennbaren Innovationen oder Produkten geführt hat, erklärt Gühne die Bedeutung der Grundlagenwissenschaft: „Erstmal ist die Grundlagenforschung an sich interessant“, meint er. „Wenn man an die erste Forschung an Dingen wie Quantenkryptografie und -computern in den 1980ern denkt – das war alles reine Spekulation und Theorie. Laser waren zum Beispiel ein Teil der Grundlagenforschung bis zu den 1960ern und werden jetzt in zahlreichen Branchen eingesetzt. Erst dann fing man an, mögliche Anwendungen zu betrachten.“ Daher denkt Gühne, dass TempoQ einen bedeutenden Beitrag zum Bereich der Quantentheorie geleistet hat, dessen zukünftige Anwendungen in Computern, Kryptografie und anderen Branchen eines Tages unser Leben verändern könnten.
Schlüsselbegriffe
TempoQ, Quantum, Physik, Computer, Kryptografie, Mechanik, Atome, Laser
