Was Quantenphysik und Würfel gemeinsam haben

10.03.2021

Eine Fotocollage zeigt eine graffitiähnliche Darstellung von Würfeln und dem Porträt Albert Einstein

„Die Quantenphysik erscheint völlig verrückt. Wir begreifen zwar nicht, was genau und warum es passiert, aber wir können es genau berechnen“, sagt Dr. Lars Jaeger in seinem Buch Die zweite Quantenrevolution (Springer Verlag, 2018). In der Tat widersprechen die mit Quanten zusammenhängenden Erscheinungen unseren Alltagserfahrungen und gewohnten Wahrnehmungen: Teilchen können sich beispielsweise an mehreren Orten gleichzeitig befinden, sich gegenseitig überlagern oder über weite Entfernungen miteinander verbunden sein – selbst Albert Einstein hatte seine Zweifel an der Vollständigkeit der Quantenmechanik.

Anfang des 20. Jahrhunderts standen Physiker vor einem Rätsel: Die Gesetze der klassischen Physik schienen nicht immer und überall zu gelten. Zudem waren sie für die Beschreibung des Lichts oder dem Aufbau von Materie nicht geeignet. Der Physiker Max Planck entwickelte daraufhin seine Quantenhypothese, die er erstmals am 14. Dezember 1900 der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin vorstellte. Die These besagt, dass Strahlung (z.B. Licht) mit Materie nicht beliebige Energiemengen austauschen kann, sondern nur bestimmte, diskrete Pakete, die sog. Quanten (von lat. quantum = wie viel). Albert Einstein steuerte weitere Erklärungen zum photoelektrischen Effekt bei, und so schufen die beiden Physiker die Grundlagen für die Quantenphysik. Deren Anwendungen begleiten uns im Alltag mannigfach: Die Atomuhr, die Lasertechnik, das GPS (globale Satellitennavigation), die moderne Elektronik, die Informationstechnologie (IT) oder auch die bildgebenden Verfahren in der Medizin wie die Magnetresonanztomographie (MRT) lassen sich zur ersten Quantenrevolution zählen und beruhen alle auf Quanteneffekten. Heute steht die Nanotechnologie an der Schwelle zur zweiten Revolution, indem einzelne Quantensysteme gezielt manipuliert werden. Damit steht bahnbrechend neuen Technologien die Tür offen, wie etwa dem hoch leistungsfähigen Quantencomputing oder der Quantensensorik mit einer nie da gewesenen Präzision.

Sensorik auf allerkleinster Ebene

Den ersten anwendbaren Quantensensor gab es schon im Jahr 1964. Der von Mitarbeitern der Ford Motor Co. in Michigan entwickelte supraleitende SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) entstand eher unbeabsichtigt und war gar nicht für die Anwendung in einem Fahrzeug gedacht. Beindruckend war seine Leistungsstärke: Das detektierte Magnetfeld war minimal, betrug nur ein Millionstel der Stärke des Felds menschlicher Gehirnströme. SQUIDS werden bis heute in Laborumgebungen betriebe. Ihr Nachteil: Ihr Aufbau ist für gewöhnlich groß und kostenaufwändig. Zur Strommessung oder Magnetfeldbestimmung im industriellen Umfeld haben sich daher kleinere und günstigere Hall-Effekt- oder magnetoresistive Sensoren im Massenmarkt durchgesetzt. Quantenbasierte Magnetometer könnten diesen Markt noch einmal kräftig durcheinanderwirbeln: Ihre Herstellung ist kostengünstig, ihr Aufbau miniaturisiert und sie messen mit einer bislang schwerlich zu erreichenden Auflösung und Sensitivität.

Wie andere Messfühler auch erfassen Quantensensoren physikalische Größen wie Temperatur, Geschwindigkeit, Magnetfelder oder Positionen und setzten diese in Messwerte um. Ihr Messverfahren beruht dabei auf der Nutzung von Quanteneffekten. Eine wissenschaftlich einheitliche und verbindliche Definition für die Nano-Sensorik der existiert bislang noch nicht, wie Dr. Friedemann Reinhard, Professor für Quantentechnologie an der Universität Rostock, in seinem Podcast ausführt. Für ihn ist bei der Beschreibung eines solchen Geräts entscheidend, dass es Techniken nutzt, die in den letzten 30 Jahren zur Erforschung der Quantenwelt entwickelt wurden.

Die Quantensensorik macht sich die hohe Empfindlichkeit von Quantensystemen gegenüber äußeren Einflüssen wie elektrischen oder magnetischen Störungen zunutze. Was beim Einsatz in Quantencomputern nicht erwünscht ist und daher mit hohem Aufwand stabil gehalten werden muss, erweist sich für die Messung eines Magnetfelds nützlich: Der Zusammenbruch des fragilen Quantenzustands durch äußere Einflüsse kann in Kombination mit anderen Faktoren dazu dienen, ein hochpräzises Sensorsystem zu entwickeln. Die Empfindlichkeit ist so groß, dass Körperfunktionen oder Gehirnströme über deren externe Magnetfelder gemessen werden können. Ebenfalls ist es denkbar, die Temperatur einzelner Zellen zu ermitteln.

Mit der uns innewohnenden Logik nicht erklärbar

Um das Messverfahren eines Quantensensors zu verstehen, was zugegebenermaßen leichter fällt, wenn man die Logik ausschaltet, muss man sich die „verrückte“ Welt der Quantenmechanik ein wenig näher anschauen. Beginnen wir mit den Quanten. So viel vorweg: Quanten zeigen oft ein Verhalten, das wir aus dem Alltag so nicht kennen. Sie sind schwierig zu beschreiben und können sowohl Teilchen als auch Wellen sein. Sie können sich in einer Überlagerung von verschiedenen, sich klassisch ausschließenden Zuständen befinden (Superposition), gleichzeitig hier und an einem anderen Ort sein (Nichtlokalität), und sie besitzen keine unabhängigen und objektiven Merkmale. So unwahrscheinlich es klingen mag: Erst die Messung weist den Quantenteilchen eine bestimmte Eigenschaft zu. Quanten können außerdem über eine große räumliche Distanz wie von Geisterhand miteinander verbunden sein, so dass eine Veränderung eines Teilchen automatisch zur Änderung des verbunden Teilchen führt, ohne dass die beiden untereinander Informationen austauschen (Verschränkung). In der nicht-Nanowelt würden zwei miteinander verschränkte Würfel, die von unabhängigen Spielern in unterschiedlichen Räumen verwendet würden, immer die gleichen Augenpaare zeigen. Letzteres war für Albert Einstein schwer zu akzeptieren, weshalb er die Verschränkung einst spöttisch als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete und ihn den berühmten Satz sagen ließ: „Es scheint hart, dem Herrgott in die Karten zu gucken. Aber dass er würfelt und sich telepathischer Mittel bedient (wie es ihm von der gegenwärtigen Quantentheorie zugemutet wird), kann ich keinen Augenblick glauben." Zahlreiche Untersuchungen haben jedoch inzwischen das Phänomen der Verschränkung belegt.

Eine der aufsehenerregendsten war der Big Bell-Test (benannt nach dem Physiker John Stewart Bell) am 30. November 2016. An diesem einmaligen Quantenphysik-Experiment beteiligten sich weltweit mehr als 100.000 Menschen, die mit Hilfe von Tablets, Smartphones oder Computern im Rahmen eines Online-Spiels mehr als 97 Millionen zufällige binäre Codes erzeugten.

Diese steuerten in den teilnehmenden elf Forschungsinstituten verschiedene Versuche mit Photonen, einzelnen Atomen, Anordnungen von mehreren Atomen oder auch supraleitenden Systemen. Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München nutzten die Zufallszahlen um Messungen in zwei Laboren durchzuführen, die 400 Meter voneinander entfernt waren. Dazu arbeiteten sie mit einem Atom, welches mit einem Photon verschränkt und anschließend in das entfernte Labor gebracht wurde. Die Messungen bestätigten die Verletzung der Bellschen Ungleichung. John Stewart Bell hatte diese im Jahr 1964 als einen Weg zur experimentellen Widerlegung der von Albert Einstein sowie den Physikern Boris Podolsky und Nathan Rosen vertretenen Auffassung erstellt, dass ein bloßes Hinzufügen verborgener Variablen zur klassischen Physik die Quantenmechanik erklären könne. Der Big Bell-Test u.v.a. Experimente widerlegen diese Theorie: Dass „Gott tatsächlich würfelt“ oder vielmehr die sonderbaren und eigenwilligen Gesetze der Quantenphysik gelten, gilt heute als unumstritten.

Buchtipp:
Wer mehr zur Quantenmechanik erfahren möchte, ohne gleich ein Physikstudium zu absolvieren, dem sei folgendes Buch empfohlen:
Quantencomputing kompakt
Spukhafte Fernwirkung und Teleportation endlich verständlich
Bettina Just
Springer-Verlag 2020

 

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In der kommenden Woche folgt übrigens ein weiterer Blogbeitrag spezielle zum Thema "Quantensensorik". Schon mal vormerken.

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