Falling-Walls-Konferenz 2014: Alarm in der Quantenfalle

Gott würfelt nicht. Aber Anton Zeilinger. Er holt große Schaumstoffwürfel aus einer Plastiktüte, um die Grundlagen der Quantenphysik zu erklären – jenem Teilgebiet der Physik, das die menschliche Vorstellungskraft wohl am meisten herausfordert. Vieles darin widerspricht der Intuition, die uns etwa annehmen lässt, dass jedes Ereignis eine Ursache haben muss. Davon war auch Einstein überzeugt, als er den berühmten Satz „Der Alte würfelt nicht“ formulierte. Doch das Genie hatte in diesem Punkt unrecht, stellte Zeilinger klar. „In der Quantenphysik gibt es sehr wohl Zufälle, sie sind absolut notwendig.“ Wie Quantenphänomene unseren Alltag verändern, ja revolutionieren könnten, war eines der Themen auf der Konferenz „Falling Walls“ am Sonntag in Berlin.

Auch in der mittlerweile sechsten Auflage ging es um Durchbrüche, fallende Mauern in der Wissenschaft. Jene, die bereits eingerissen wurden oder solche, die womöglich fallen könnten. 17 internationale Topforscher sind in diesem Jahr gekommen. Darunter Svante Pääbo, der mit seinem Team das Genom des Neandertalers entschlüsselt hat und so neue Erkenntnisse zur Entwicklungsgeschichte unserer Vorfahren geliefert hat. Weitere Vorträge wurden beispielsweise von der Krebsforscherin Suzanne Topalian von der Johns-Hopkins-Universität in Baltimore und Karl Deisseroth, Neuroforscher an der Uni Stanford, gehalten.

Mit den Würfeln zeigt er, wie verschränkte Lichtteilchen funktionieren

Der gelbe Würfel, den Zeilinger auf die Bühne wirft, zeigt eine Drei. „Zufall! Keiner kann sagen, warum jetzt gerade diese Zahl oben ist.“ Der zweite Würfel wird nicht geworfen, Zeilinger dreht ihn, bis ebenfalls eine Drei zu sehen ist. „Das ist Verschränkung: Egal, welche Zahl der erste Würfel zeigt, der zweite hat stets die identische Augenzahl.“ Stellt man sich nun die Würfel als Quantenobjekte, wie zum Beispiel Lichtteilchen (Photonen) mit bestimmten Eigenschaften vor – hat man’s schon begriffen.

Diese rätselhafte Verbindung besteht sogar über größere Distanzen. Zeilinger berichtet von einem Experiment seiner Arbeitsgruppe, bei dem ein verschränktes Lichtteilchen über 143 Kilometer transportiert wurde. Dazu wurde zwischen zwei Teleskopen auf Teneriffa und La Palma zunächst ein Laserstrahl zur Orientierung eingerichtet. Anschließend verschickten die Forscher ein Photon im nicht sichtbaren Infrarotlicht zwischen den beiden Kanareninseln. Mit Hilfe eines dritten Photons konnten sie nachweisen, dass die Verschränkung über die weite Distanz stabil geblieben war.

Stört ein unerwünschter Zuhörer die Verbindung, fliegt er auf

Das ist die Zukunft des sicheren Datenaustausches, ist der Physiker überzeugt. Sobald die Verbindung gestört wird, etwa durch einen unerwünschten Zuhörer, geht die Verschränkung verloren, die Spitzelei fliegt auf. „Die Sicherheit ist garantiert, durch die Natur der Physik“, schwärmt er. Voraussichtlich 2016 soll das gleiche Experiment zwischen der Erde und einem Satelliten wiederholt werden. Damit wollen die Wissenschaftler ihrem Traum sicherer Kommunikation wieder etwas näher kommen.

Einen weiteren Durchbruch, der dank Quantenphysik gelingen könnte, stellte Suchitra Sebastian von der Universität Cambridge vor: verlustfreier Stromtransport. Denn bisher wird wesentlich mehr Strom erzeugt – mit all den damit verbundenen Umwelt- und Klimafolgen – als tatsächlich genutzt wird. Abhilfe können Supraleiter schaffen. Mittlerweile sind einige Materialien entdeckt worden, die über diese Eigenschaft verfügen, doch sie funktionieren nur bei Temperaturen weit unter dem Nullpunkt. Sebastian und ihr Team haben herausgefunden, dass Stoffe wie zum Beispiel Eisenarsenid supraleitend werden, wenn sie einem großen Druck ausgesetzt werden. Ursache dafür sind Veränderungen auf Quantenebene.

Das Ziel: Supraleiter, die bei Umgebungstemperatur arbeiten

„Indem wir verstehen, was in dem Material passiert, können wir beginnen, gezielt chemische Verbindungen so zu verändern, dass sie die gewünschten Eigenschaften haben“, sagt die Physikerin. Ihre Hoffnung: So könnte man eines Tages Supraleiter erhalten, die auch bei Umgebungstemperatur funktionieren.