Quanten sind kleinste Bausteine unserer materiellen Welt. Sie sind immer noch schwer begreiflich, da ihr Verhalten fundamental von den gewohnten Gesetzm??ig- keiten unserer Erfahrungswelt abweicht. Prof. Dr. Markus Heyl und sein Forschungs- team widmen sich der Aufgabe, die komplexen Eigenschaften und Dynamiken von Quantenteilchen systematisch zu entschlüsseln.
?

Artikel als PDF herunterladen

?

Markus Heyl, Professor für Theoretische Physik an der Universit?t Augsburg, legt bei der Beschreibung quantenphysikalischer Ph?nomene gro?en Wert auf pr?zise Terminologie. Quantenphysik sei grundlegend unanschaulich, betont er: ?Sie entzieht sich h?ufig unserem intuitiven Verst?ndnis.“ W?hrend die experimentelle Physik auf die Beobachtung und das Messen von Naturph?nomenen fokussiert ist, verfolgt die theoretische Physik, insbesondere in Heyls Arbeitsbereich, das Ziel,?diese Ph?nomene mathematisch zu modellieren und zu erkl?ren. ?Wir formulieren Hypothesen und Modelle, die anschlie?end experimentell überprüft werden“, erl?utert Heyl. Die theoretische Arbeit erfordert dabei vor allem geistige Pr?zision und konzeptionelle Kreativit?t, unterstützt durch umfangreiche rechnerische Simulationen. Quantenteilchen sind elementare Teilchen im Mikrokosmos, den man erreicht, wenn man bis auf die Ebene von Atomen hineinzoomt. ?Sie sind die Bestandteile, aus denen alle Stoffe sind. Aber ihre Eigenschaften entsprechen nicht dem, was man aus der Erfahrungswelt kennt“, sagt Heyl und führt dies am Beispiel des Mondes aus: ?Den Mond sehen wir nicht immer, trotzdem gibt es keinen Zweifel daran, dass es ihn gibt.“

?

Für quantenmechanische Teilchen gilt dies nicht. Deren Eigenschaften entstehen erst durch die Beobachtung. Oder in den Worten von Heyl: ?Den Begriff eines Ortes eines Teilchens gibt es gar nicht. Erst wenn ich den Ort messe, manifestiert das Teilchen sich.“ Die Beobachtung von Quantenteilchen erfordert hochspezialisierte Technologien, wie beispielsweise Mikroskope mit extrem kurzen Belichtungszeiten im Attosekunden Bereich, die es erm?glichen, einzelne Elektronen in Atomen direkt zu erfassen. Trotz ihrer winzigen Dimensionen besitzen Quantenteilchen entscheidenden Einfluss auf makroskopische Eigenschaften von Materialien. So erkl?rt die Quantenmechanik beispielsweise die Farbgebung von Stoffen. ?Dank der Quantenmechanik wissen wir, warum bestimmte Stoffe eine gewisse Farbe haben. Die Farben haben mit den Eigenschaften der Elektronen in Atomen zu tun“, erkl?rt Heyl. Vereinfacht gesagt k?nnen Elektronen anders als Planeten nicht in beliebigen Bahnen um einen Atomkern herumfliegen. Elektronen nehmen ganz bestimmte, sogenannte quantisierte Bahnen. Die Farben eines Stoffes entstehen nun dadurch, dass man es anleuchtet.

?

Durch den Einfluss des Lichts springen die Elektronen auf andere dieser festen Bahnen – und wieder zurück. ?Beim Sprung auf die innere Bahn wird Licht zurückgesendet. Dieses Licht ist quantisiert, für jedes Atom verschieden, und hat eine spezifische Farbe“, fasst Heyl zusammen. Markus Heyl sitzt vor einer gro?en wei?en Tafel. Darauf dr?ngen sich Dutzende von Formeln – Integrale, Summenzeichen, Indizes. Mit ihrer Hilfe kann er eine neue Welt auf schlie?en. ?Bei unserer Arbeit“, sagt er, ?geht es nicht mehr um ein einzelnes Quantenteilchen. Sondern darum, was passiert, wenn viele Teilchen zusammenwirken.“

?

In der Gruppe v?llig anders

?

Heyls Forschungsarbeit konzentriert sich auf die theoretische Quantenmechanik vieler Teilchen. Bereits das Verhalten einzelner Quantenteilchen ist komplex. In der Gruppe jedoch entfalten sie v?llig neue Eigenschaften, die nicht auf die Eigenschaften der Einzelteilchen zurückgeführt werden k?nnen. Die von seinem Vorg?nger Dieter Vollhardt formulierte Maxime ?eins, zwei, viele“ beschreibt diesen ?bergang von klaren Regeln weniger Quantenteilchen zu kollektiven Ph?nomenen, die man nicht mehr aus dem Verhalten der Einzelnen ableiten kann. Materialien mit v?llig neuen Eigenschaften sind so denkbar – von exotischen Supraleitern bis zu quantenmechanischen Flüssigkeiten, die sich jeder Intuition entziehen.

?Es ist Grundlagenforschung im besten Sinne“, sagt Heyl. ?Wir wissen oft noch nicht, wofür es am Ende nützlich sein wird. Aber wir wissen, dass die Forschung uns zu fundamentalen Einsichten führt.“ Dennoch haben sich aus solchen Untersuchungen bereits Anwendungen entwickelt. Heyl erinnert sich an einen Vortrag eines Biophysikers über Vogelschw?rme, der ihn zu neuer Forschung verleitete. ?Quantenphysik hat Parallelen zur Biologie: Ein Vogel ist faszinierend, aber ein Schwarm verh?lt sich noch ein mal ganz anders – mehr als die Summe seiner Teile.“ Analog zu biologischen Systemen, in denen das Verhalten eines Schwarms von V?geln nicht einfach die Summe der einzelnen V?gel ist, untersucht Heyl die emergenten Eigenschaften von Systemen vieler Quantenteilchen. ?V?gel sind garantiert keine quantenmechanischen Objekte, sie haben eigenst?ndige Wahrnehmung und Reflexe“, sagt er mit einem L?cheln. ?Aber wir haben uns gefragt, ob es so etwas wie Schwarmverhalten auch bei Quantenteilchen gibt.“ Fünf Jahre lang forschte er daran – zun?chst aus reiner Neugier. Dann kam einem Kollegen die Idee: ?Da raus lie?e sich ein Sensor bauen.“

?

Quanten im Magnetfeld

?

Die Vision: ein Quantenschwarm, der empfindlich auf Magnetfelder reagiert. Misst man seine Bewegung, kann man St?rke und Richtung des Feldes bestimmen. Gebaut hat so ein Ger?t noch niemand – aber allein die M?glichkeit zeigt, wie überraschend Grundlagenforschung neue Wege weist. Heyls Forschung – und die seines Teams – sucht immer wieder Parallelen zwischen Natur und Quantenmechanik. Ein Beispiel ist die Phasenseparation – ein wichtiges Ordnungssystem in biologischen Zellen. Verschiedene Bausteine der Zellen, die aus Flüssigkeiten bestehen, bleiben strikt getrennt, obwohl sie sich mischen k?nnten. ?bertr?gt man dieses Prinzip auf quantenmechanische Flüssigkeiten, ergeben sich neue Fragen: Kann man auch quantenmechanische Flüssigkeiten entsprechend treffen und ergeben sich sogar neue Eigenschaften, wenn die Bestandteile der Flüssigkeit verschr?nkt sind?

Noch exotischer wird es bei der so genannten Spinflüssigkeit. Sie verh?lt sich im K?ltezustand ?hnlich wie H2 O, aber dennoch anders: Wasser friert zu Eis, weil sich Wasser stoffbrückenbindungen verh?rten – mit einer gewissen Unsch?rfe, die Physiker als ?Eisregel“ kennen. Spin- flüssigkeiten besitzen ebenfalls eine Eisregel, bleiben jedoch auch bei tiefsten Temperaturen flüssig. ?Die Teilchen bilden kein Kristallgitter, sondern bleiben in einem Zustand permanenter quantenmechanischer Verschr?nkung“, erkl?rt Heyl. Es ist diese Verschr?nkung, die potenziell für diverse Anwendung in der Quanteninformationstechnologie sehr hilfreich sein k?nnte.

?

Quanten für den Computer

?

Denn ein bedeutender Anwendungsbereich der theoretischen Quantenphysik liegt in der Entwicklung von Quantencomputern. Sie gelten als Rechenmaschinen der Zukunft – doch es sind noch wichtige Fragen auf dem Weg dorthin zu kl?ren. ?Wir wissen, dass sie prinzipiell viele Probleme l?sen k?nnen“, sagt er. ?Aber wir wissen nicht, wie man den Weg am effizientesten beschreitet.“ Was macht Quantenrechner so speziell? ?Herk?mmliche Rechner kennen nur Bits mit zwei Zust?nden, 0 und 1“, erkl?rt Heyl.

Quantencomputer hingegen arbeiten mit Qbits, die mehrere Zust?nde gleichzeitig haben k?nnen. Hier arbeitet Heyls Team an L?sungen, wie das Verhalten von Qbits zur Nutzung als Rechenmaschine genutzt werden k?nnen. Das Potenzial ist gewaltig: Einige Dutzend Qubits k?nnten aus reichen, um Berechnungen zu erm?glichen, für die konventionelle Rechner Jahre ben?tigen. Wie Quantencomputer arbeiten, erkl?rt Heyl mit einem Vergleich: ?Stellen Sie sich vor, Sie haben tausend Zahlen und wollen zu jeder zehn addieren. Ein klassischer Computer braucht dafür tausend Rechenschritte. Ein Quantencomputer macht das in einem einzigen Schritt – er kann alle M?glichkeiten gleichzeitig berechnen.“ Diese F?higkeit nennt man Quantenparallelisierung.

Als ein weiteres zentrales Hindernis auf dem Weg zum Quantencomputer nennt Markus Heyl das Soft ware-Gap. ?hnlich wie in den 1980ern war Computerbauern noch nicht klar, wofür sich ihre neue Rechenleistung überhaupt nutzen lie?. Heute stehe man bei Quantencomputern an einem ?hnlichen Punkt. ?Die bekanntesten Anwendungen, wie das Knacken von Verschlüsselungen, sind vielleicht die am wenigsten relevanten“, meint Heyl. Viel interessanter seien aus seiner Perspektive sogenannte Quantensimulationen: Mit Quantencomputern lie?en sich Simulationen von Quantenmaterialien realisieren, um Materialeigenschaften pr?zise vorherzusagen.

Das k?nnte für die Industrie revolution?r sein, etwa mit Blick auf die Entwicklung neuer chemischer Produkte. Denn herk?mmliche Methoden sto?en immer wieder an ihre Grenzen. Dennoch nutzt sein Team bereits heute Methoden des maschinellen Lernens für die theoretische Beschreibung von Systemen vieler Quantenteilchen – darunter neuronale Netzwerke, wie sie auch Sprachmodelle antreiben. Ziel ist es, die unendlichen M?glichkeiten der Quantenwelt in handhabbare Strukturen zu übersetzen. Damit lassen sich jetzt schon Probleme l?sen, bei denen normale Supercomputer an ihre Grenzen kommen. So entstehen immer neue Verbindungen zwischen Physik, Biologie, Informatik – und reiner Neugier. Ob Schwarmverhalten, Spinflüssigkeiten oder Quantencomputer, für Markus Heyl ist all das Teil einer gr??eren Erz?hlung. ?Wir wollen verstehen, wie sich unsere Welt auf den kleinsten Ebenen organisiert. Und manchmal finden wir Antworten an v?llig unerwarteten Orten.“

?

jf