Quelle: Technische Universität Wien 1. Juli 2024.

1. Juli 2024 – Kann sich ein Teilchen an zwei unterschiedlichen Orten gleichzeitig aufhalten? In der Quantenphysik ist das kein Problem: Sie erlaubt, dass sich Objekte in verschiedenen Zuständen gleichzeitig befinden – oder präziser gesagt: In einem Überlagerungszustand, der sich aus unterschiedlichen beobachtbaren Zuständen zusammensetzt. Aber ist das wirklich der Fall? Vielleicht befindet sich das Teilchen in Wirklichkeit sehr wohl in einem ganz bestimmten Zustand, an einem ganz bestimmten Ort, nur kennen wir ihn nicht?

Seit Jahrzehnten wird über die Frage diskutiert, ob man das Verhalten von Quantenobjekten nicht vielleicht doch durch eine für uns anschaulichere Theorie beschreiben kann. 1985 wurde eine Möglichkeit vorgeschlagen, das zu messen – die sogenannte „Leggett-Garg-Ungleichung“. Jede Theorie, die ohne die merkwürdigen Überlagerungs-Zustände der Quantentheorie auskommt, muss dieser Ungleichung gehorchen. Die Quantentheorie hingegen verstößt gegen sie. An der TU Wien wurden dazu nun erstmals Messungen mit Neutronen durchgeführt – mit einem eindeutigen Ergebnis: Die Leggett-Garg-Ungleichung wird verletzt, klassische Erklärungen dafür sind nicht möglich, die Quantentheorie gewinnt. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Physikalischer Realismus
Wir gehen normalerweise davon aus, dass jedes Objekt bestimmte Eigenschaften hat: Ein Ball befindet sich an einem bestimmten Ort, er hat eine bestimmte Geschwindigkeit, vielleicht auch eine bestimmte Drehung. Ob wir den Ball beobachten oder nicht, ist egal. Er hat diese Eigenschaften ganz objektiv und unabhängig von uns. „Diese Sichtweise wird als ‚Realismus‘ bezeichnet“, sagt Stephan Sponar vom Atominstitut der TU Wien.

Insbesondere große, makroskopische Objekte müssen dieser Regel gehorchen, das wissen wir aus unserer Alltagserfahrung. Außerdem wissen wir: Makroskopische Objekte kann man beobachten, ohne sie nennenswert zu beeinflussen. Die Messung ändert den Zustand nicht. Diese Annahmen bezeichnet man zusammen als „makroskopischen Realismus“.

Die Quantentheorie, wie man sie heute kennt, ist aber eine Theorie, die diesen makroskopischen Realismus verletzt. Wenn für ein Quantenteilchen unterschiedliche Zustände erlaubt sind, zum Beispiel unterschiedliche Positionen, Geschwindigkeiten oder Energiewerte, dann ist auch eine beliebige Kombination dieser Zustände erlaubt. Zumindest, solange man diesen Zustand nicht misst. Bei einer Messung geht dieser Überlagerungszustand nämlich kaputt: Die Messung zwingt das Teilchen, sich für einen ganz bestimmten Wert zu entscheiden.

Die Leggett-Garg-Ungleichung
Trotzdem muss die Quantenwelt mit der makroskopischen Welt logisch zusammenhängen – schließlich bestehen große Dinge ja aus kleinen Quantenteilchen. Prinzipiell sollten die Regeln der Quantentheorie für alles gelten.

Die Frage ist nun also: Kann man bei „großen“ Objekten ein Verhalten finden, das sich mit unserem intuitiven Bild des makroskopischen Realismus nicht vereinbaren lässt? Können auch makroskopische Dinge klare Anzeichen von Quanteneigenschaften aufweisen?

1985 veröffentlichten die Physiker Anthony James Leggett und Anupam Garg eine Formel, mit der sich der makroskopische Realismus testen lässt: Die Leggett-Garg-Ungleichung. „Der Gedanke dahinter ist ähnlich wie bei der berühmteren Bell’schen Ungleichung, für deren Überprüfung 2022 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde“, sagt Elisabeth Kreuzgruber, Erstautorin des Papers. „Allerdings geht es bei der Bell’schen Ungleichung um die Frage, wie stark das Verhalten eines Teilchens mit einem anderen, quantenverschränkten Teilchen zusammenhängt. Bei der Leggett-Garg-Ungleichung geht es nur um ein einziges Objekt, und um die Frage, wie sein Zustand zu bestimmten Zeitpunkten mit seinem Zustand zu anderen Zeitpunkten zusammenhängt.“

Stärkere Korrelationen als die klassische Physik erlaubt
Leggett und Garg gingen von einem Objekt aus, das zu drei verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden kann, jede Messung kann zwei verschiedene Ergebnisse haben. Auch wenn man überhaupt nichts darüber weiß, ob oder wie sich der Zustand dieses Objekts im Lauf der Zeit ändert, kann man trotzdem statistisch untersuchen, wie stark die Ergebnisse zu unterschiedlichen Zeitpunkten miteinander zusammenhängen.

Man kann mathematisch zeigen, dass die Stärke dieser Zusammenhänge ein gewisses Maß niemals übersteigen kann – wenn man voraussetzt, dass der makroskopische Realismus korrekt ist. Leggett und Garg konnten eine Ungleichung aufstellen, die von jeder makroskopisch realistischen Theorie immer erfüllt sein muss, ganz egal um welche Theorie es sich im Detail handelt.

Wenn sich das Objekt allerdings an die Regeln der Quantentheorie hält, dann müssen sich deutlich stärkere statistische Zusammenhänge zwischen den Messergebnissen zu den drei verschiedenen Zeitpunkten ergeben. Wenn ein Objekt sich zwischen den Mess-Zeitpunkten tatsächlich in verschiedenen Zuständen gleichzeitig befindet, muss sich das – nach Leggett und Garg – in stärkeren Korrelationen zwischen den drei Messzeitpunkten zeigen.

Neutronenstrahlen: Zentimetergroße Quantenobjekte
„Allerdings ist es gar nicht so einfach, diese Frage experimentell zu untersuchen“, sagt Richard Wagner. „Wenn wir den makroskopischen Realismus testen wollen, dann brauchen wir ein Objekt, das in gewissem Sinn makroskopisch ist, das also eine Größe hat, die mit der Größe unserer gewohnten Alltagsgegenstände vergleichbar ist.“ Gleichzeitig muss es sich aber um ein Objekt handeln, bei dem man eine Chance hat, Quanten-Eigenschaften zu erkennen.

„Neutronenstrahlen, wie wir sie in einem sogenannten Neutroneninterferometer vorfinden, sind dafür perfekt“, sagt Hartmut Lemmel, Strahlplatzverantwortlicher am Instrument S18 des Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, wo das Experiment durchgeführt wurde. Im Neutroneninterferometer, einem Silizium-Perfektkristall-Interferometer, das in den frühen 1970er Jahren am Atominstitut der TU Wien erstmals erfolgreich zum Einsatz kam, wird der einfallende Neutronenstrahl an der ersten Kristallplatte in zwei Teilstrahlen aufgespalten und danach von einem weiteren Silizium-Stück wieder zusammengeführt. Es gibt somit zwei verschiedene Wege, auf denen Neutronen von der Quelle zum Detektor gelangen können.

„Die Quantentheorie sagt: Jedes einzelne Neutron nimmt beide Wege gleichzeitig“, sagt Niels Geerits. „Die beiden Teilstrahlen sind aber mehrere Zentimeter voneinander entfernt. In gewissem Sinn hat man es hier also mit einem Quantenobjekt zu tun, das eine für Quanten-Verhältnisse gewaltige Größe hat.“

Durch eine ausgeklügelte Kombination mehrerer Neutronenmessungen konnte das Team der TU Wien die Leggett-Garg-Ungleichung testen – und das Ergebnis war eindeutig: Die Ungleichung wird verletzt. Die Neutronen benehmen sich also auf eine Weise, die mit keiner erdenklichen makroskopisch realistischen Theorie erklärt werden kann. Sie befinden sich tatsächlich auf beiden Strahlen gleichzeitig, an unterschiedlichen Stellen, die Zentimeter auseinanderliegen. Die Idee „vielleicht bewegt sich das Neutron doch nur auf einer der beiden Bahnen, wir wissen bloß nicht welche“ ist damit widerlegt.

„Unser Experiment zeigt: Die Natur ist tatsächlich so seltsam, wie die Quantentheorie behauptet“, sagt Stephan Sponar. „Egal welche klassische, makroskopisch realistische Theorie man sich zurechtlegt: Sie wird die Wirklichkeit niemals erklären können. Ohne Quantenphysik geht es nicht.“

Originalpublikation
E. Kreuzgruber et al., Violation of a Leggett-Garg Inequality Using Ideal Negative Measurements in Neutron Interferometry, Phys. Rev. Lett. 132, 260201 (2024).
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.260201

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Technische Universität Wien 17. Mai 2023.

17. Mai 2023 – Die Relativitätstheorie funktioniert großartig, wenn man Phänomene auf kosmischer Skala erklären möchte – etwa die Gravitationswellen, die bei der Kollision von schwarzen Löchern entstehen. Die Quantentheorie funktioniert großartig, wenn man Phänomene auf Teilchenskala erklären möchte – etwa das Verhalten einzelner Elektronen im Atom. Beides miteinander auf völlig zufriedenstellende Weise zu verbinden, ist aber noch nicht gelungen. Die Suche nach einer „Quantentheorie der Gravitation“ gilt als eine der großen ungelösten Aufgaben der Wissenschaft.

Das liegt unter anderem daran, dass die Mathematik auf diesem Gebiet extrem kompliziert ist, und dass es gleichzeitig extrem schwierig ist, passende Experimente durchzuführen: Man müsste Situationen schaffen, in denen sowohl Phänomene der Relativitätstheorie eine wichtige Rolle spielen, etwa eine durch schwere Massen gekrümmte Raumzeit, und gleichzeitig Quanteneffekte sichtbar werden, zum Beispiel die kombinierte Teilchen- und Wellennatur von Licht.

An der TU Wien entwickelte man dafür nun einen neuen Zugang: Mit einem sogenannten „Quantensimulator“ geht man solchen Fragen auf den Grund: Man untersucht nicht das System, über das man eigentlich etwas lernen möchte (nämlich Quantenteilchen in einer gekrümmten Raumzeit), sondern erzeugt stattdessen ein „Modellsystem“, eine einfacher zu handhabende Simulation, aus der man dann durch Analogieschlüsse etwas über das eigentlich interessante System lernen kann. Dass dieser Quantensimulator ausgezeichnet funktioniert, konnte das Team nun zeigen. Die Ergebnisse der internationalen Kooperation mit der Universität Kreta, der Nanyang Technological University und der FU Berlin wurden nun im Fachjournal PNAS publiziert.

Von einem System etwas über ein anderes lernen
Die Grundidee hinter dem Quantensimulator ist einfach: Viele Systeme in der Quantenphysik ähneln einander. Auch wenn es sich um völlig unterschiedliche Teilchensorten handelt, oder um physikalische Systeme, die auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben, kann es sein, dass die Systeme auf tieferer Ebene denselben Gesetzen und Gleichungen gehorchen. Das bedeutet, dass man über ein bestimmtes System etwas lernen kann, indem man ein anderes System untersucht.

„Wir nehmen also ein Quantensystem, von dem wir wissen, dass wir es im Experiment sehr gut kontrollieren und anpassen können“, sagt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „In unserem Fall sind das ultrakalte Atomwolken, die von einem Atomchip mit elektromagnetischen Feldern festgehalten und manipuliert werden.“ Wenn man diese Atomwolken auf geeignete Weise anpasst, sodass sich ihre Eigenschaften in ein anderes Quantensystem übersetzen lassen, kann man aus der Vermessung des Atomwolken-Modellsystem etwas über das andere System lernen – ähnlich wie man etwa aus der Schwingung einer Masse, die an einer Metallfeder befestigt ist, etwas über die Schwingung eines Pendels an einer Schnur lernen kann: Es sind zwei verschiedene physikalische Systeme, aber das eine lässt sich in das andere übersetzen.

Der Gravitationslinsen-Effekt
„Wir konnten nun zeigen, dass sich auf diese Weise ganz eindeutig Effekte hervorrufen lassen, mit denen man die Krümmung der Raumzeit nachstellen kann“, sagt Mohammadamin Tajik vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) – Atominstitut der TU Wien, Erstautor des aktuellen Papers. Im Vakuum des Weltraums breitet sich Licht auf einem sogenannten „Lichtkegel“ aus: Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, in gleichen Zeiten bewegt sich das Licht in jede Richtung gleich weit. Wenn das Licht allerdings durch schwere Massen beeinflusst wird, etwa durch die Gravitation der Sonne, dann werden diese Lichtkegel verbogen. Die Pfade, die das Licht zurücklegt, sind in einer gekrümmten Raumzeit nicht mehr perfekt gerade. Man spricht dann von einem „Gravitationslinsen-Effekt“.

Dasselbe kann man nun auch in den Atomwolken zeigen. An Stelle der Lichtgeschwindigkeit untersucht man dort die Schallgeschwindigkeit. „Nun haben wir also ein System, in dem es einen Effekt gibt, der einer Raumzeitkrümmung beziehungsweise einer Gravitationslinse entspricht, gleichzeitig handelt es sich aber um ein Quantensystem, das man mit Quantenfeldtheorien beschreiben kann“, sagt Mohammadamin Tajik. „Auf die Weise haben wir also ein völlig neues Werkzeug, um den Zusammenhang zwischen Relativitätstheorie und Quantentheorie zu untersuchen.“

Ein Modellsystem für Quanten Phänomene in gekrümmter Raum-Zeit
Die Experimente zeigen, dass die Form der Lichtkegel, Linseneffekte, Reflexionen und andere Phänomene in diesen Atomwolken genau auf dieselbe Weise demonstriert werden können, wie man das in relativistischen kosmischen Systemen erwarten würde. Das ist nicht nur interessant, um neue Daten für theoretische Grundlagenforschung zu generieren – auch in der Festkörperphysik und bei der Suche nach neuen Materialien stößt man auf Fragen, die eine ähnliche Struktur haben und daher von solchen Experimenten beantwortet werden können.

„Wir wollen diese Atomwolken nun noch besser steuern, damit wir noch weitreichendere Daten ermitteln können. So lassen sich etwa Wechselwirkungen zwischen den Teilchen noch ganz gezielt verändern“, erklärt Jörg Schmiedmayer. Auf diese Weise kann der Quantensimulator physikalische Situationen nachstellen, die so kompliziert sind, dass man sie auch mit Supercomputern nicht berechnen kann.

Der Quantensimulator wird so zu einer neuen, zusätzlichen Informationsquelle für die Quantenforschung – zusätzlich zu theoretischen Berechnungen, Computersimulationen und direkten Experimenten. Das Forschungsteam hofft, bei der Untersuchung der Atomwolken auf neue, bisher vielleicht noch völlig unbekannte Phänomene zu stoßen, die auf kosmischer, relativistischer Skala ebenso stattfinden – aber ohne einen Blick auf winzige Teilchen vielleicht nie entdeckt worden wären.

Originalpublikation
M.Tajik et al., Experimental observation of curved light-cones in a quantum field simulator, PNAS 120 (21), 2023., https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301287120,
https://arxiv.org/abs/2209.09132,
pdf: https://arxiv.org/pdf/2209.09132.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Universität Heidelberg 9. Dezember 2022.

9. Dezember 2022 – In ihrer Forschung an ultrakalten Quantengasen konnten sie so eine ganze Familie gekrümmter Universen simulieren, um verschiedene kosmologische Szenarien zu untersuchen und mit den Vorhersagen eines quantenfeldtheoretischen Modells zu vergleichen. Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature“ veröffentlicht.

Raum und Zeit sind nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie untrennbar miteinander verbunden. In unserem Universum – es ist kaum messbar gekrümmt – ist die Struktur dieser Raumzeit vorgegeben. Wissenschaftlern der Universität Heidelberg ist es nun gelungen, in einem Laborexperiment eine effektive Raumzeit zu realisieren, die sich manipulieren lässt.

Die Entstehung von Raum und Zeit auf kosmischen Zeitskalen vom Urknall bis in die Gegenwart ist Gegenstand aktueller Forschung, die sich jedoch nur auf die Beobachtung unseres einen Universums berufen kann. Wesentlicher Bestandteil kosmologischer Modelle sind die Expansion und Krümmung des Raumes. In einem flachen Raum wie unserem heutigen Universum ist die kürzeste Strecke zwischen zwei Punkten immer eine Gerade. „Es ist allerdings denkbar, dass unser Universum in seiner Anfangsphase gekrümmt war. Die Folgen einer gekrümmten Raumzeit zu untersuchen ist daher eine drängende Forschungsfrage“, sagt Prof. Dr. Markus Oberthaler, Wissenschaftler am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg. Mit seiner Forschungsgruppe „Synthetische Quantensysteme“ hat er dafür einen Quantenfeldsimulator entwickelt.

Der im Labor realisierte Quantenfeldsimulator besteht aus einer Wolke von Kalium-Atomen, die bis auf einige Nanokelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt wurde. Dabei entsteht ein Bose-Einstein-Kondensat – ein spezieller quantenmechanischer Zustand des atomaren Gases, der bei sehr kalten Temperaturen erreicht wird. Wie Prof. Oberthaler erläutert, wirkt das Bose-Einstein-Kondensat als idealer Hintergrund, auf dem kleinste Anregungen, das heißt Änderungen des Energiezustandes der Atome, sichtbar werden. Die Form der Atomwolke bestimmt dabei die Dimensionalität und die Eigenschaften der Raumzeit, auf der sich diese Anregungen wellenartig bewegen. Im Universum sind es drei Dimensionen des Raumes und eine vierte – die der Zeit.

In dem Experiment der Heidelberger Physikerinnen und Physiker sind die Atome in einer dünnen Schicht gefangen. So können sich Anregungen nur in zwei Raumrichtungen ausbreiten – der Raum ist zweidimensional. Gleichzeitig lässt sich die Atomwolke in den verbleibenden zwei Dimensionen fast beliebig formen, womit es möglich ist, auch gekrümmte Raumzeiten zu realisieren. Die Wechselwirkung zwischen den Atomen kann durch ein Magnetfeld präzise eingestellt werden, wodurch sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der wellenartigen Anregungen auf dem Bose-Einstein-Kondensat ändert.

„Für die Wellen auf dem Kondensat ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit abhängig von der Dichte und der Wechselwirkung der Atome. Das gibt uns die Möglichkeit, Bedingungen wie in einem expandierenden Universum zu schaffen“, erklärt Prof. Dr. Stefan Flörchinger, zuvor Wissenschaftler an der Universität Heidelberg und seit Anfang dieses Jahres an der Universität Jena. Er hat das quantenfeldtheoretische Modell ausgearbeitet, mit dem die experimentellen Ergebnisse quantitativ abgeglichen wurden.

Mit dem Quantenfeldsimulator können kosmische Phänomene, beispielsweise die Produktion von Teilchen aufgrund der Expansion des Raumes, und die Raumzeitkrümmung selbst messbar gemacht werden. „Kosmologische Fragestellungen laufen normalerweise auf unvorstellbar großen Skalen ab. Diese ganz konkret im Labor untersuchen zu können, eröffnet ganz neue Möglichkeiten der Forschung, indem wir neue theoretische Modelle experimentell testen können“, sagt Celia Viermann, die Erstautorin der „Nature“-Veröffentlichung ist. „Das Wechselspiel von gekrümmter Raumzeit und quantenmechanischen Zuständen im Labor zu erforschen, wird uns noch einige Zeit beschäftigen“, so Markus Oberthaler, der mit seiner Forschungsgruppe Mitglied im Exzellenzcluster STRUCTURES der Ruperto Carola ist.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1225 „Isolierte Quantensysteme und Universalität unter extremen Bedingungen“ (ISOQUANT) der Universität Heidelberg durchgeführt.

Originalpublikation:
C. Viermann, M. Sparn, N. Liebster, M. Hans, E. Kath, Á. Parra-López, M. Tolosa-Simeón, N. Sánchez-Kuntz, T. Haas, H. Strobel, S. Stefan Flörchinger, M.K. Oberthaler: Quantum field simulator for dynamics in curved spacetime. Nature (9 November), doi: 10.1038/s41586-022-05313-9, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05313-9.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Stadt Köln 9. November 2022.

Freut euch auf die folgenden Vorträge:

• Dr. Lisa Wörner, Leiterin des DLR-Instituts für Quantentechnologien in Ulm. Sie berichtet über heutige und zukünftige Anwendungsszenarien für Quantentechnologien in der Raumfahrt.
• Dr. Jens Biele vom Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in Köln berichtet über die DART-Mission bei der eine Weltraumsonde im September 2022 in einen kleinen Asteroiden einschlug, um seine Umlaufbahn zu ändern. Außerdem gibt er einen Ausblick auf die Folgemission Hera.

Davor, dazwischen und danach ist wieder unser Weltraum-Quiz am Start. Knackige Fragen für spacige Preise!

„Lichtjahre voraus“ findet auch dieses Jahr online statt. Wir nutzen dafür die Webinarplattform edudip, die im Browser läuft. Die technischen Voraussetzungen halten sich daher in Grenzen: Ihr braucht eine gute und stabile Internetverbindung, einen aktuellen Browser (am besten Chrome oder Firefox) und einen Lautsprecher oder Kopfhörer. Wie unser Weltraumforschungsabend als Online-Veranstaltung funktioniert, seht ihr hier am Beispiel von „Lichtjahre voraus 2021“: YouTube-Link.

Wir freuen uns auf eure Kommentare und Fragen im Veranstaltungs-Chat. Nach den Vorträgen schnappen wir uns eure Fragen und lassen sie von den Vortragenden beantworten. So seid ihr wirklich live dabei.

Das Webinar wird aufgezeichnet und in unserer YouTube-Playlist veröffentlicht. Bitte beachtet, dass auch der Chat in der Aufzeichnung zu sehen sein wird. Meldet euch gern mit einem Pseudonym an, falls ihr nicht mit eurem Klarnamen im Chat auftauchen wollt.

In Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Veranstaltungsinformationen:
Veranstaltungsort: Online-Veranstaltung über edudip
Datum: 1. Dezember 2022 (Donnerstag)
Uhrzeit: 19 – 21:30 Uhr (Webinarraum schon vorher offen)
Eintritt: kostenlos
Anmeldung: Anmeldeseite auf edudip
Hashtag: #geekscgn

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Quelle: Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina 4. Oktober 2022.

4. Oktober 2022 – Der Präsident der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina Gerald Haug beglückwünscht Anton Zeilinger zu dieser hohen Auszeichnung: „Der diesjährige Physiknobelpreis würdigt bedeutsame Forschungsergebnisse, die den Grundstein für eine neue Ära der Quantentechnologie gelegt haben. Wir freuen uns, dass mit Anton Zeilinger ein Leopoldina-Mitglied aus Österreich unter den Laureaten ist.“

Anton Zeilingers Forschung führte zu neuen Erkenntnissen in der Quantentechnologie und zu einem neuen Verständnis in der Interpretation der Quantenmechanik. Er lieferte Arbeiten zu Quanteninformation und Quantenkryptografie. 1997 gelang ihm die Demonstration der Verschränkung von mehr als zwei Teilchen, auch Quantenteleportation genannt. Dabei findet eine direkte Übertragung des Zustands eines Lichtteilchens unter Überwindung von Zeit und Raum statt. Dieser Vorgang ist ein Verfahren der Quantenkommunikation, bei dem keine Teilchen im klassischen Sinn von einem Ort zum anderen übertragen werden, sondern lediglich ihr Quantenzustand. Weitere Entwicklungen führten schließlich zur Quantenkryptografie, die sich ebenfalls der Verschränkung von Teilchen bedient. Diese Technik ermöglicht abhörsichere Verschlüsselungen von Nachrichten und Datenübertragungen.

Anton Zeilinger (Jahrgang 1945) studierte Physik und Mathematik an der Universität Wien (Österreich), wo er 1971 promoviert wurde. Nach seiner Habilitation 1979 forschte und lehrte Zeilinger unter anderem am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston (USA), an der Technischen Universität München, in Oxford (UK) und in Paris (Frankreich). 1999 wurde er als Ordentlicher Professor für Experimentalphysik an die Universität Wien berufen. 2013 bis 2022 war er Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Zeilinger wurde für seine Forschung vielfach ausgezeichnet, unter anderem mit dem Descartes-Preis (2005), mit der Isaac-Newton-Medaille (2008), dem Wolf-Preis für Physik (2010) sowie dem kanadischen John Stewart Bell Prize (2017). Zeilinger ist seit 2005 Mitglied der Leopoldina. Er war Mitautor der 2015 erschienenen Leopoldina-Stellungnahme „Perspektiven der Quantentechnologie”.

Der Nobelpreis für Physik ist derzeit mit insgesamt zehn Millionen schwedischen Kronen (umgerechnet rund 920.000 Euro) dotiert. Das Preisgeld erhalten die drei Preisträger zu gleichen Teilen. Alle Nobelpreise werden den Preisträgerinnen und Preisträgern traditionell am 10. Dezember überreicht, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel.

Die Leopoldina hat mehr als 1.600 Mitglieder, darunter sind nunmehr 36 Nobelpreisträgerinnen und Nobelpreisträger.

Über die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina
Als Nationale Akademie der Wissenschaften leistet die Leopoldina unabhängige wissenschaftsbasierte Politikberatung zu gesellschaftlich relevanten Fragen. Dazu erarbeitet die Akademie interdisziplinäre Stellungnahmen auf der Grundlage wissenschaftlicher Erkenntnisse. In diesen Veröffentlichungen werden Handlungsoptionen aufgezeigt, zu entscheiden ist Aufgabe der demokratisch legitimierten Politik. Die Expertinnen und Experten, die Stellungnahmen verfassen, arbeiten ehrenamtlich und ergebnisoffen. Die Leopoldina vertritt die deutsche Wissenschaft in internationalen Gremien, unter anderem bei der wissenschaftsbasierten Beratung der jährlichen G7- und G20-Gipfel. Sie hat 1.600 Mitglieder aus mehr als 30 Ländern und vereinigt Expertise aus nahezu allen Forschungsbereichen. Sie wurde 1652 gegründet und 2008 zur Nationalen Akademie der Wissenschaften Deutschlands ernannt. Die Leopoldina ist als unabhängige Wissenschaftsakademie dem Gemeinwohl verpflichtet.

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: Ferdinand-Braun-Institut gGmbH 26. August 2022.

26. August 2022 – Das Quantentechnologie-Start-up Q.ANT, Bosch, TRUMPF und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben eine Partnerschaft zur Entwicklung weltraumtauglicher Lage­sensoren geschlossen. Mit Hilfe dieser auf Quantentechnologie basierenden Sensoren soll es gelingen, Mini-Satelliten präzise auszurichten und die weltweite Datenkommunikation zu verbessern. Die Sensoren sind eine Schlüsseltechnologie, da sie eine hochgenaue Ausrichtung der Satelliten untereinander und damit eine Hochgeschwindigkeitsverbindung für Daten ermöglicht. „Diese strategische Partnerschaft zeigt, welches Potenzial in der gemeinsamen Entwicklung von Zukunftstechnologien steckt. Der Einsatz von Quantentechnologie in der Luft- und Raumfahrt ist für den Industriestandort Deutschland eine riesige Chance“, sagt Michael Förtsch, CEO von Q.ANT. Die Partnerschaft soll ein weltumspannendes, erdnahes Mini-Satelliten-Netz unterstützen, das die Internetverbindung insbesondere in abgelegenen Regionen verbessert. Den ersten Mini-Satelliten mit Quantentechnologie möchte das DLR in fünf Jahren Richtung Weltall starten. Quanteneffekte nutzende Lagesensoren lassen sich nicht nur bei Satelliten, sondern auch beim automatisierten Fahren oder bei der Indoor-Navigation zum Beispiel in Fabrik- und Logistikhallen einsetzen. Das Forschungsbudget für das Projekt liegt bei rund 28 Millionen Euro, ein Großteil davon stammt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Mit dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik beteiligt sich zudem ein renommiertes Forschungsinstitut für Laserdioden, insbesondere für Anwendungen im Weltraum.

Quantensensoren liefern dauerhaft präzise Ergebnisse
Um eine zuverlässige Übertragung der Signale von Satelliten sicherzustellen, müssen die Satelliten auf ihrer Umlaufbahn dauerhaft höchstpräzise ausgerichtet sein. Verlieren die Satelliten die richtige Position, schwächen sich die Kommunikationssignale ab. Das Konsortium möchte mit Hilfe von Quantentechnologie eine langfristige Messstabilität garantieren. Quantensensoren eignen sich für den Einsatz in Satelliten besonders, weil sie dauerhaft genaue Messergebnisse liefern können, hohe Leistung auf wenig Raum erbringen, und wenig wiegen. Die Satelliten können dadurch jahrelang präzise ihre Position halten.

Starke Partnerschaft aus Industrie und Forschung
Die Entwicklung europäischer Quantensensoren soll die Unabhängigkeit vom Weltmarkt stärken. Q.ANT leitet die Entwicklungspartnerschaft, entwickelt das Gesamtkonzept des Sensors und ist für die Integration der verschiedenen Komponenten verantwortlich. Dabei liegt der Schwerpunkt auf einer präzisen und stabilen Ausrichtung der Sensorkomponenten untereinander, um die Funktionsfähigkeit im Satelliten zu gewährleisten. „Mit unserem Sensor wollen wir vereinfacht gesagt den Gleichgewichtssinn des Satelliten verbessern“, sagt Michael Förtsch, CEO von Q.ANT. Das deutsche Quantentechnologie-Start-up mit Sitz in Stuttgart liefert zudem elektronische Schlüsselkomponenten wie eine sehr rauscharme Detektionseinheit.

Die Bosch-Forschung entwickelt eine miniaturisierte, weltraumtaugliche Messzelle. „Die Messzelle ist das Herzstück des Quantensensors“, sagt Thomas Kropf, Forschungschef von Bosch. Sie ist mit einem atomaren Gas befüllt, das mit Laserstrahlen und Magnetfeldern zu einer Kreiselbewegung der Atome angeregt wird. Die gemessene Drehgeschwindigkeit der Kreiselbewegung ändert sich durch die Drehung des Sensors und gibt damit hochpräzise Rückschlüsse über Lageänderung des Satelliten und ermöglicht damit eine genauere Lagekontrolle. „Wir freuen uns, dass wir unsere Expertise im Bereich Quantensensoren in das Projekt einbringen und damit die Erfolgsgeschichte der MEMS (Micro-electro-mechanical Systems) Sensorik bei Bosch fortschreiben können.“

Uber TRUMPF
TRUMPF bringt gleich von zwei deutschen Standorten sein Laser-Knowhow ein. Die Miniaturlaserdioden entstehen bei TRUMPF Photonic Components in Ulm, und werden bislang zum Beispiel Smartphones und in industriellen optischen Sensoren eingesetzt. Gemeinsam mit dem Ferdinand-Braun Institut werden die robusten Strahlquellen nun für den Einsatz in der Quantentechnologie und im Weltraum entwickelt. „Die Zukunft für unsere Minilaser ist vielversprechend und eröffnet viele neue Anwendungen. Mit dem Förderprojekt stärken wir einmal mehr den Photonik-Standort Deutschland. Viele Zukunftstechnologien profitieren von dem Knowhow und unserer hochmodernen Produktion, welche wir über Jahre aufgebaut haben“, sagt Berthold Schmidt, CEO bei TRUMPF Photonic Components. Der TRUMPF Standort in Berlin ist spezialisiert auf Lösungen in den Bereichen Sensorik, Laser- und Quantentechnologie. Dort werden die Lichtquellen aus Ulm mit neuartiger Aufbau- und Automatisierungstechnik in robusten, miniaturisierten Gehäusen mit weiterer Messtechnik integriert und temperaturstabilisiert, sodass sie den anspruchsvollen Bedingungen im Weltall standhalten. Das Galileo Kompetenzzentrum im DLR ist für alle weltraumrelevanten Aspekte verantwortlich. Es stellt die Weltraumtauglichkeit sicher und ist für die Implementierung, den Transport und den Betrieb des Satelliten zuständig. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Verbundprojekt QYRO im Rahmen der Fördermaßnahme „Leuchtturmprojekte der quantenbasierten Messtechnik zur Bewältigung gesellschaftlicher Herausforderungen.“

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• DLR

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Quelle: Universität Würzburg.

23. Dezember 2021 – Der Wechsel zwischen Singulett- und Triplett-Zustand von Elektronenpaaren in ladungsgetrennten Zuständen spielt in der Natur eine wichtige Rolle. Vermutlich kann auch der Kompass von Zugvögeln mit dem Einfluss des Erdmagnetfeldes auf das Wechselspiel zwischen diesen beiden Spinzuständen erklärt werden.

Dieser Quantenprozess war bislang optisch nicht direkt verfolgbar. Eine Forschungskooperation mit den Chemieprofessoren Ulrich Steiner von der Universität Konstanz und Christoph Lambert von der Universität Würzburg an der Spitze stellt im Wissenschaftsjournal Science mit der Pump-Push-Puls-Technik nun eine Methode vor, mit der sich der zeitliche Verlauf der Singulett/Triplett-Einstellungen erstmals optisch bestimmen lässt. Das eröffnet neue Wege, etwa im Bereich organischer Solarzellen, aber auch für Qubits in Quantencomputern.

Lichtenergie hebt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau
Normalerweise besetzen Elektronen in einem Molekül die quantentheoretisch möglichen Bahnen paarweise. Dabei ist die Eigenschaft des Eigendrehimpulses der Elektronen, ihres sogenannten Spins, von entscheidender Bedeutung.

Nach dem Pauli-Prinzip der Quantentheorie können zwei Elektronen nur dann auf der gleichen Bahn laufen, wenn ihr Spin antiparallel ist. Dreht sich das eine Elektron rechtsherum, muss sich das andere linksherum drehen. Im molekularen Grundzustand sind in der Regel alle Elektronenspins gepaart.

Durch Anregung mit Licht wird ein einzelnes Elektron aus der Paarkonstellation gelöst und auf ein energetisch höheres Niveau gehoben, wo es allein eine freie Bahn besetzt. Von hier kann es dann weiter auf eine freie Bahn in einem geeigneten Nachbarmolekül überspringen.

Das Ergebnis stellt eine photoinduzierte Elektronübertragung dar. Die beiden vereinzelten Elektronen können nun durch magnetische Wechselwirkung mit ihrer Umgebung ihre Spin-Einstellung unabhängig voneinander verändern, da sie nicht mehr durch das Pauli-Prinzip eingeschränkt sind.

Die beiden separierten Elektronen bilden ein Radikalpaar
Eine solche Ladungstrennung durch photoinduzierte Elektronenübertragung findet beispielsweise auch bei der Photosynthese statt.

Die Energie des übertragenen Elektrons nimmt bei diesem Schritt nur wenig ab, sodass der größte Teil der anfänglich durch die Lichtanregung aufgenommenen elektronischen Energie noch erhalten ist. Diese ursprüngliche Anregungsenergie ist somit in chemischer Form gespeichert. Der ladungsgetrennte Zustand mit den beiden separierten Elektronen wird in der Chemie auch als Radikalpaar bezeichnet.

Sind die Spins der beiden Elektronen parallel ausgerichtet, spricht man von einem Triplett-Zustand, sind sie antiparallel ausgerichtet, von einem Singulett-Zustand des Radikalpaares. Durch die freie individuelle Entwicklung der beiden Spins wechselt der Spin-Zustand des Radikalpaars zwischen Singulett- und Triplett-Zustand hin und her. Da energetisch zwischen diesen Spin-Ausrichtungen kein großer Unterschied besteht, waren sie bislang optisch nicht direkt unterscheidbar.

Eine Energiestabilisierung des Radikalpaars kann erfolgen, indem das Radikalelektron vom Akzeptormolekül zurückspringt zum Donormolekül und sich so unter Energiefreisetzung der ursprüngliche Singulett-Zustand wieder zurückbildet. Damit es sich jedoch wieder mit dem ursprünglichen Partnerelektron paaren kann, muss sein Spin zu diesem entgegengesetzt geblieben sein, was durch eine zwischenzeitlich mögliche Spin-Umorientierung nicht unbedingt der Fall ist. Hat es aktuell eine andere Spin-Einstellung, kann es zwar nicht auf seine ursprüngliche Bahn zurück, aber durch Übergang in eine andere, noch freie tiefere Bahn am Akzeptor ebenfalls Energie abgeben.

Es bildet sich so ein Triplett-Produkt am Akzeptor, das von dem Singulett-Produkt am Donor optisch unterschieden werden kann.

Radikalpaar als Modell für Qubits und den Magnetfeldsensor von Zugvögeln
Die Phase, in der die Radikalpaare zwischen dem Singulett- und dem Triplett-Zustand hin- und herpendeln, ist in vielerlei Hinsicht von besonderem Interesse.

Da es sich um eine quantenmechanisch gesteuerte kohärente Bewegung handelt, ist sie grundsätzlich, etwa durch ein äußeres Magnetfeld, kontrollierbar. Mit solchen Bewegungen werden beispielsweise in der Physik Quantenrechner realisiert.

„Unser Radikalpaar kann als Modell für Qubits dienen, wie sie in Quantenrechnern als Elemente vorhanden sind, oder für das Verständnis der Funktion von Radikalpaaren in dem eingangs erwähnten biologischen Kompass von Zugvögeln. Aus solchen Gründen ist es von Interesse zu wissen, wie der Spin in diesem Prozess ausgerichtet ist“, sagt Ulrich Steiner, der in Konstanz zu Photokinetik und Spin-Chemie forscht.

Pump-Push-Technik ermöglicht die Bestimmung von Singulett/Triplett-Einstellungen
Im Labor von Christoph Lambert in Würzburg wurde mit der magnetfeldabhängigen Pump-Push-Technik ein experimentelles Verfahren entwickelt, mit dem es zum ersten Mal möglich ist, die Singulett/Triplett-Einstellungen zu bestimmten Zeitpunkten in einem speziell für diese Untersuchungen synthetisierten Donor-Akzeptor-Molekül auszulesen.

Zunächst wird mit einem sogenannten Pump-Laser-Puls der Elektronentransfer vom Donor- zum Akzeptormolekül initiiert. Dabei entsteht der ladungsgetrennte Zustand mit Singulett-Spin. Die ungepaarten Elektronen-Spins können sich nun zeitlich entwickeln.

Nach einer gewissen Zeit wird ein zweiter Laser-Puls hinterhergeschickt. „Durch diesen Push-Laser-Puls wird wieder ein Elektron vom Akzeptor- zum Donormolekül zurückübertragen, wobei der zweite Laserpuls das System zwingt, sofort die Entscheidung zwischen Triplett- oder Singulett-Produktbildung zu treffen, wofür sich das Radikalpaar normalerweise mehrere Spin-Oszillationsperioden Zeit lassen würde“, sagt Ulrich Steiner, der mit seinem russischen Kollegen die Interpretation der Experimente durch quantentheoretische Modellrechnungen belegt hat.

Auf diese Weise lassen sich quasi Schnappschüsse des Spin-Zustandes des Radikalpaares zu verschiedenen Zeitpunkten aufnehmen und die periodische Umwandlung von Singulett- und Triplett-Radikalpaar beweisen.

Publikation
David Mims, Jonathan Herpich, Nikita N. Lukzen, Ulrich E. Steiner, Christoph Lambert. Readout of spin quantum beats in a charge-separated radical pair by pump-push spectroscopy. Science, 16. Dezember 2021, Vol 374, DOI: 10.1126/science.abl4254

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Der Beitrag Schnappschüsse aus der Quantenwelt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.