Theorie und Praxis Quantenphysik trifft auf Industrie

Von Christian J. Meier 

In der Welt der kleinsten Teilchen gelten sonderbare Regeln. Physiker und Ingenieure der Universität Stuttgart wollen diese Effekte nicht nur verstehen, sondern auch kommerziell nutzen. Quanten könnten Sensoren präziser und die Kommunikation abhörsicher machen.

Der Physiker Tilman Pfau von der Uni Stuttgart schafft in seinem Laserlabor die Grundlage für miniaturisierte Messgeräte. Foto: Heinz Heiss
Der Physiker Tilman Pfau von der Uni Stuttgart schafft in seinem Laserlabor die Grundlage für miniaturisierte Messgeräte.Foto: Heinz Heiss

Stuttgart - Mit Quantenphysik hatte Norbert Frühauf bis vor zwei Jahren nichts am Hut. Das Metier des Elektroingenieurs sind neue Arten von Flachbildschirmen, die in zehn Jahren an Wohnzimmerwänden hängen, auf Büroschreibtischen stehen oder in Handtellern liegen sollen. Technische Umwälzungen plant Frühaufs Team auf dem Vaihinger Campus der Uni Stuttgart eher nicht.

Frühauf bekommt sein Forschungsgeld zu einem Großteil von der Industrie, und die investiert nicht in vage Zukunftsversprechen. Keine Sekunde Gedankenarbeit würde der energische Entwickler für etwas „Bizarres“ oder „Spukhaftes“ verschwenden. Doch genau so charakterisieren Physiker die Quantenphysik. Was hat die so fremde Welt der Atome, Elektronen und Lichtteilchen, dass sie Techniker wie Frühauf immer mehr in ihren Bann zieht?

Solche Quantenobjekte liefern ein Exklusivrecht auf faszinierende Effekte, die die herkömmliche Physik nicht auf Lager hat. Die Phänomene versprechen superschnelle Computer, abhörsichere Kommunikation und hyperfeine Sensoren.

„Wir steuern mit unseren Apparaturen einzelne Atome“

Zum einen zeigen Teilchen eine Art Schizophrenie, die sogenannte Superposition: Ein einzelnes Quantenobjekt kann konträre Eigenschaften tragen, sich etwa simultan an den Orten A und B aufhalten oder sich zugleich links und rechts herum drehen. Der österreichische Mitbegründer der Quantenphysik Erwin Schrödinger veranschaulichte das mit einer nach ihm benannten fiktiven Katze, die gleichzeitig lebt und tot ist. Noch gespenstischer wirkt das zweite Phänomen, die Verschränkung: Werden Teilchen nach einem Kontakt voneinander getrennt, verhalten sie sich, als wären sie noch immer verbunden. Wird das erste Partikel beeinflusst, reagiert sogleich das andere. Keine noch so riesige Entfernung kann die Teilchen scheiden: sie bilden ein unteilbares Ganzes.

An der Quantenphysik sei nichts Mys­tisches, betont Tilman Pfau vom Center für  Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie an der Uni Stuttgart. Alles gehorche klaren Regeln, lasse sich kontrollieren – und auch technologisch nutzen. „Wir steuern mit unseren Apparaturen einzelne Atome“, sagt Pfau.

In einem abgedunkelten Labor lenken Hunderte Linsen und Spiegel Laserstrahlen in eine Vakuumkammer. Darin befindet sich ein Gas aus Tausenden Rubidiumatomen. Der Laser regt ein einziges davon an. Ein Elektron nimmt Laserenergie auf und kreist sodann in einer für Atome riesigen Entfernung um den Atomkern: einige Zehntausendstelmillimeter. Groß genug, um es mit einem Mikroskop zu beobachten. Pfaus Mitarbeiterin Tara Liebisch will genau das tun. „Das wäre die erste direkte Aufnahme eines Atoms“, sagt sie.

Ein aufgeblähtes Atom als Miniatursensor

Das aufgeblähte Atom, ein sogenanntes Rydberg-Atom, lässt sich für Sensoren nutzen, denn sein lose gebundenes Elektron reagiert empfindlich auf elektrische oder magnetische Felder. Solche Sensoren könnten etwa das schwache Magnetfeld spüren, das unterirdisch oder hinter Mauern verborgenes Wasser erzeugt. Wasser führende Schichten oder Wasserrohre lassen sich so aufspüren. „Das Ziel sind Sensoren, die die Grenzen der überhaupt möglichen Präzision erreichen“, sagt Pfau.

Dass der Sensor funktioniert, haben die Physiker schon gezeigt. Jetzt wollen sie mit Frühaufs Hilfe daraus ein Bauteil machen. „Die dafür nötige Technik ähnelt der in einem LCD-Display“, sagt Frühauf. Die Entdecker profitieren von der Erfahrung des Praktikers. „Wir wollen den Sensor so entwickeln, dass man ihn bei Bedarf mit industriellen Methoden fertigen kann“, sagt Frühauf.

Keine hundert Meter von Pfaus Institut erklärt der Nachrichtentechniker Thomas Berroth, warum die Quantenphysik auch für ihn interessant ist. „Bei der Datenübertragung in Glasfasern wird ein Bit an Information von immer weniger Lichtteilchen getragen“, sagt Berroth. Das ist so, als könnte ein Zug mit immer weniger Waggons immer mehr Container befördern. Wenn eines Tages ein Bit auf ein einziges Lichtteilchen (Photon) gepackt wird, ist die maximal mögliche Übertragungsgeschwindigkeit erreicht. Dabei sollte auf dem Weg möglichst kein einziges Lichtteilchen verloren gehen. „Die Quantenphysiker versuchen dies heute schon in ihren Experimenten“, sagt Berroth. Daher tauscht er sich mit den Physikern um Tilman Pfau aus.

Jedes Abhören wird zur Anzeige gebracht

Was einzelne Photonen können, haben Physiker schon demonstriert. Ein einziges Teilchen kann etwa eine Atomwolke quasi vernebeln, so dass diese einen zuvor durchgelassenen Lichtstrahl abschwächt, wie Pfaus Team und zeitgleich ein Team des Max-Planck-Institutes für Quantenoptik in München zeigten. Dies ist ein optischer Schalter, der eines Tages in neuartigen optischen Computern eingesetzt werden könnte. Diese wären leistungsfähiger als heutige Rechner, weil sich mit Licht Informationen schneller verarbeiten lässt als mit elektronischen Signalen.

Technisch noch interessanter werden Photonen, wenn man sie miteinander verschränkt. Derart innig verbunden ermöglichen sie Technologien, die bisher ausgeschlossen waren. Sie gelten zum Beispiel als Schlüssel zur abhörsicheren Datenübertragung. Da sie ein unteilbares Ganzes bilden, wird ein Lauschangriff bemerkt: Wenn der Lauscher eines der Lichtteilchen untersucht, wirkt sich das auf das andere aus. Sender und Empfänger können also einen Unterschied feststellen. Es gibt bereits Firmen, die Kommunikationssysteme auf Quantenbasis anbieten.

Mehr Sicherheit könnte auch der virtuelle Datenspeicher im Internet, die Cloud, durch Photonen gewinnen. Derzeit tragen Bits entweder den Wert „0“ oder den Wert „1“. Ein Photon hingegen kann jedoch beide Werte gleichzeitig speichern, es transportiert ein sogenanntes „Qubit“. Es könnte diese Qubits per Glasfaser an einen Quantencomputer liefern. Das ist ein noch hypothetischer Rechner, der Tausende von Qubits simultan verarbeiten kann. Er könnte simultan eine Unzahl von Lösungsmöglichkeiten für eine Aufgabe testen und im Handumdrehen zur Lösung gelangen.

Geschützte Daten in der „Quantencloud“

„Es wird eine Art Quantencloud geben, also einige zentrale Quantencomputer, mit denen die Anwender über ein Quanteninternet kommunizieren können“, sagt Anton Zeilinger von der Universität Wien. Ein Kunde könnte mittels Photonen Qubits und Recheninstruktionen an den Quantenserver senden, der ihm das Ergebnis serviert. „Den Quantencomputer kann man so betreiben, dass die Rechnung dem Betreiber des Servers vollkommen verborgen bleibt“, sagt Zeilinger. Sein Team hat gezeigt, dass das prinzipiell funktioniert.

Weil Qubits sehr empfindlich sind, gibt es noch keine Computer, die mit vielen Qubits arbeiten. Doch durch Nanotechnologie lassen sich robuste Qubits herstellen. Tilman Pfaus Kollege Jörg Wrachtrup pflanzt die Qubits beispielsweise in winzige Diamanten ein. Dort besteht das Qubit im Wesentlichen aus einem Loch im Kohlenstoffgitter des Diamanten, in dem sich ein Elektron befindet. „Der Diamant schirmt das Qubit von der Umwelt ab“, sagt Wrachtrup. Physiker von der Technischen Uni Wien haben sich nun ein Design überlegt, auf dessen Basis sich die Diamant-Qubits leicht verschalten lassen und das sich miniaturisieren und mit Massenfertigungsverfahren herstellen lässt. Eine Firma entwickelt auf der Grundlage von Wrachtrups Forschung einen Prototyp. Das Qubit im Diamanten kann nämlich höchstpräzisen Magnetfeldsensoren dienen.

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