Mit dem Nobelpreis für Physik werden in diesem Jahr zwei Quantenphysiker ausgezeichnet – der Franzose Serge Haroche vom Collège de France in Paris und der US-Forscher David J. Wineland von der University of Colorado in Boulder . Sie haben neue, fantastische Einblicke in die bizarre Welt der Quanten, also der kleinsten Teilchen ermöglicht. Was ihnen gelang, galt zuvor als undenkbar.

Beide Preisträger wurden im Jahr 1944 geboren und beide haben sehr feinsinnige Experimente durchgeführt, bei denen Licht und Materie subtil miteinander in Wechselwirkung traten. Sie haben dabei die geheimnisvolle Quantenwelt aus verschiedenen, aber wunderbar komplementären Blickwinkeln betrachtet.

Haroche hat Photonen, also Lichtteilchen, zwischen zwei Spiegel eingesperrt. Weil die Photonen zwischen diesen immerfort hin und her reflektiert werden, entkommen sie dem optischen Gefängnis nicht. Sodann ließ der Physiker ein Atom durch dieses Lichtfeld fliegen und konnte anschließend aus messbaren Eigenschaften dieses Atoms darauf zurückschließen, welche konkreten Quanten-Eigenschaften die Lichtteilchen zwischen den Spiegeln besitzen.

Informationen abgegriffen

Das klingt im ersten Moment nicht spektakulär, doch das Besondere daran ist, dass die Messung der Photonen-Eigenschaften möglich ist, ohne das Licht in seinem konkreten Zustand zu stören. Normalerweise ist es nämlich so, dass allein durch den Messvorgang schon in das Quantensystem eingegriffen und dieses verändert wird.

Gab es beispielsweise vor der Messung eine quantenphysikalische Situation, in der sich zwei Zustände überlagert haben – Physiker nennen das Superposition –, dann zwingt die von außen eingreifende Messung das System dazu, sich für einen der Zustände zu „entscheiden“, und der zuvor bestandene quantenphysikalische Vorgang wird zerstört. Doch Haroche ist gelungen, was undenkbar schien: Informationen der gefangenen Lichtteilchen abzugreifen, ohne diese zu beeinträchtigen.

Analog ist es David J. Wineland gelungen, die Quanteneigenschaften von geladenen Atomen (Ionen) mithilfe von Licht zu messen – ohne den Zustand der Ionen zu stören. Dazu hatte er die Teilchen in einer elektrischen Falle gefangen. Speziell geformte Elektroden erzeugten elektrische Felder, welche die Ionen in einem kleinen Raumbereich einsperren. Durch diese Zone wurde das messende Licht geschickt.

Unüberwindliche Erkenntnisschranken

Die Experimente der beiden frisch gekürten Physik-Nobelpreisträger sind einerseits von philosophischen Interesse, denn es geht hier letztlich um die Frage, welche Informationen der Mensch aus der Welt der Quanten überhaupt erhalten kann und wo es unüberwindliche Erkenntnisschranken gibt. Andererseits bieten beide Forschungsarbeiten auch Perspektiven für technische Anwendungen. Informationen aus Quantensystemen auszulesen, ohne die dort als „Quantenbits“ gespeicherten Daten zu zerstören, ist eine Voraussetzung für die Entwicklung von Quantencomputern. Die arbeiten nicht nur mit den von herkömmlichen Computern bekannten Datenbits „0“ und „1“, sondern sie nutzen sogenannte Quantenbits, die sich aus mehreren Zuständen zusammensetzen können. Ein Quantenbit kann also – salopp gesagt – gleichzeitig ein bisschen „0“ und und bisschen „1“ sein.

Von Quantencomputern erwarten Experten eine gigantische Leistungsfähigkeit, doch bis zur Praxistauglichkeit solcher Systeme ist der Weg noch weit. Gleichwohl erklärte die Nobel-Jury, dass möglicherweise superschnelle Quantencomputer „unser Leben im Alltag in diesem Jahrhundert auf ebenso radikale Art revolutionieren werden, wie der klassische Computer im letzten Jahrhundert.“

Keine Vorwarnung des Anrufs

Vorher schon dürften die Experimente allerdings den Bau von noch präziseren Uhren ermöglichen. So schwingen die im elektrischen Feld gefangenen Ionen 10.000 Mal öfter pro Sekunde, als die Cäsium-Ionen in heutigen Atomuhren. Auf der Basis von Winelands Versuchsanordnung lassen sich Uhren mit bislang nicht erreichter Präzision konstruieren. Die relative Genauigkeit einer derartigen Quantenuhr könnte 10-17 betragen. Unter dieser Zahl kann man sich nicht allzu viel vorstellen. Doch sie bedeutet, dass eine solche, seit dem Urknall vor 13,7 Milliarden Jahre laufende Uhr bis heute maximal eine Gangungenauigkeit von fünf Sekunden aufweisen würde.

Der Telefonanruf mit der wunderbaren Nachricht aus Stockholm erreichte David Wineland „mitten in der Nacht, es war vielleicht 3.30 Uhr“. Er habe keinerlei Vorwarnung gehabt und „nicht im Traum an eine solche Nachricht gedacht“, sagte der Physiker gestern und zeigte sich noch immer recht ungläubig. Mit aus dem Schlaf gerissen wurde seine Frau, Sedna Quimby-Wineland. Das Paar hat zwei erwachsene Söhne.

Der Garchinger Physiker Immanuel Bloch, Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, kommentiert die Kür der Nobelpreisträger mit den Worten: „Das ist eine fantastische Wahl. Das sind zwei Leute, die das Forschungsgebiet unheimlich vorangebracht haben.“ Sein Kollege Wolfgang Sandner vom Max-Born-Institut in Berlin ergänzt: „Quantenmechanik ist etwas, das wir glauben zu verstehen, aber was immer für eine Überraschung gut ist. Hier wird ein Lebenswerk der beiden ausgezeichnet, das zu einem tieferen Verständnis der Quantenphysik geführt hat.“