Abstecher ins Quantenland

Neueste Erkenntnisse aus der Welt der Quanten, Atome und Moleküle stehen im Mittelpunkt einer Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), die vom 4. bis 8. März 2002 an der Universität Osnabrück stattfindet. Etwa 600 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden zu diesem Fachkongress erwartet, darunter Gäste aus dem europäischen Ausland und den USA. Das Wochenprogramm spannt einen Bogen von der Laserforschung über Studien zu Quantencomputern und der Datenverschlüsselung (Kryptographie) mittels Quanteneffekten bis zur Biophysik. Der filigranen Ingenieurskunst der Natur ist am 6. März ein öffentlicher Abendvortrag in der Stadthalle Osnabrück gewidmet - Titel: "Im Kraftwerk der Zelle: Biologische Nano-Motoren in Aktion".

Die Tagung startet mit einem Plenarvortrag über Oberflächenphysik und Atomstrahlen. Referent ist Jan Peter Toennies, ausgezeichnet mit der diesjährigen Stern-Gerlach-Medaille der DPG für seine herausragende Forscherkarriere. Toennies hat sich u. a. auf dem Gebiet der Helium-Streuung einen Namen gemacht. Kürzlich legte er den Grundstein für ein neues, besonders empfindliches Mikroskop, das das zu untersuchende Objekt mit einem Strom aus Helium-Atomen abtastet.

Ein Schwerpunkt des Kongresses ist die "Bose-Einstein-Kondensation". Dieser Materiezustand, der nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) existiert, wurde 1995 erstmals im Labor erzeugt. Unter diesen Extremen regiert die Quantenphysik das Geschehen: Ultrakalte Gasatome geben ihren Charakter als individuelle Teilchen auf und schließen sich zu einem Kollektiv zusammen, das hunderttausende von Atome umfassen kann. Dabei tritt die Gemeinschaft als "Materiewelle" in Erscheinung; der genaue Aufenthaltsort eines einzelnen Atoms ist innerhalb der Quantenwolke nicht festzustellen. Die Pioniertat aus dem Jahre 1995 wurde kürzlich mit dem Nobelpreis für Physik gekürt. Wie das Osnabrücker Tagungsprogramm belegt, ist die Entwicklung in den letzten Jahren rasant vorangeschritten. Zu den interessantesten "Folgeprodukten" der Bose-Einstein-Kondensation zählen so genannte Atomlaser, die statt Licht fein dosierte Teilchenwellen aussenden. In Zukunft könnte es möglich sein, auf diese Weise Werkstoffe zu strukturieren - präziser, als es etwa mit Laserlicht möglich ist. Darüber hinaus lassen sich anhand der Bose-Einstein-Kondensation fundamentale Quantenphänomene studieren. Bezeichnend hierfür sind Forschungsberichte aus jüngster Zeit. Wissenschaftler aus München und Zürich berichteten im Januar 2002 erstmals von der Umwandlung eines Bose-Einstein-Kondensats in einen so genannten Mott-Isolator: Mit Laserstrahlen traktierten sie das nebulöse Atomkollektiv, worauf sich dessen Mitglieder zu einem dreidimensionalen Kristall arrangierten. Das Lichtfeld des Lasers drängte die Atome auf genau definierte Gitterplätze - die ursprüngliche Gemeinschaft zerfiel gewissermaßen in zahlreiche Splittergruppen. In Osnabrück werden auch diese Experimente vorgestellt.

Die Manipulation von Atomen, die zur Herstellung eines Mott-Isolators nötig ist, ließe sich vielleicht für die Entwicklung von Quantencomputern nutzen. Ein weiteres Thema der Tagung. Obwohl es bislang nur rudimentäre Prototypen gibt, versprechen sich Wissenschaftler von Quantencomputer geradezu astronomische Rechenleistungen. Der Schlüssel dazu liegt im Prinzip der Informationsverarbeitung: Statt auf klassische Binär-Bits greifen Quantenrechner auf Quantenbits zurück. Diese "Qubits" speichern nicht nur Nullen und Einsen, sondern auch quantenmechanische Überlagerungen beider Werte. Damit steigt die Rechenleistung um ein Vielfaches. Bei der technischen Umsetzung, der Hardware eines Quantencomputers, werden zurzeit unterschiedliche Ansätze verfolgt. Mit ihren klassischen Pendants werden Quantenrechner wahrscheinlich wenige Gemeinsamkeiten haben. So experimentieren einige Forschungsgruppen mit geladenen Atomen (Ionen), eingefangen in Käfigen aus elektromagnetischen Feldern. Andere Wissenschaftler setzen auf ein Verfahren, das aus der medizinischen Diagnostik bekannt ist: die Kernspin-Resonanz. Hier ist die Hardware denkbar simpel. Es sind die Moleküle einer Flüssigkeit. Als Qubits dienen die Kernspins einzelner Atome in den Molekülen. Diese verhalten sich wie winzige Magnetnadeln, die mithilfe der Kernspin-Resonanz manipulieren werden können. Prinzipiell würde das Herzstück eines solchen Quantencomputers in einem Reagenzglas Platz finden.

Im Sport entscheiden oft die Bilder von Hochgeschwindigkeitskameras über Sieg oder Niederlage. Erst die Zeitlupe macht den Zieleinlauf in allen Einzelheiten deutlich. Um etwa die schnelle Bewegung von Atomen und Elektronen bei chemischen Reaktionen unter die Lupe zu nehmen, nutzen wissenschaftliche "Paparazzi" eine besondere Technik: Das Geschehen wird mit extrem kurzen Laserblitzen verfolgt, die nur winzige Bruchteile einer Milliardstelsekunde andauern. Die Einzelschritte des Prozesses werden ähnlich wie bei einem Stroboskop festgehalten. Mit der so genannten Attosekunden-Spektroskopie geraten seit kurzem Phänomene in Reichweite, die nach weniger als einer Femtosekunde (millionste Teil einer Milliardstelsekunde) vorüber sind. Aktuelle Entwicklungen aus diesem Gebiet werden in Osnabrück ebenfalls diskutiert.

Mit der molekularen Maschinerie im Inneren der Zellen befassen sich zahlreiche Beiträge in Rahmen des Symposiums "Biophotonik". Auf dem Programm stehen u. a. Studien zur Photosynthese bei Bakterien. Ein weiteres Thema: die Vorgänge im Inneren des Zellkerns. Jene Schaltzentrale der Zelle, in der auch die Erbinformation gelagert ist.

Neben der Grundlagenforschung ist auf der Osnabrücker Tagung auch die angewandte Forschung vertreten. Zu den Schwerpunkten zählen: Optoelektronik, optische Signalübertragung sowie der Einsatz von Lasern in Medizin und Umweltmesstechnik.

Zum Auftakt der Tagung findet eine Pressekonferenz statt, zu der Journalisten herzlich eingeladen sind. Der Termin:
Montag, 4. März 2002, 11:30 Uhr
Universität Osnabrück
Gebäude 15, Senatssitzungssaal
(Raum 15/130, 1. OG)
Seminarstraße 20