Quanten Post

Antworten auf Ihre Frage an die Forschung

In dem MCQST-Ausstellungsmodul der Sonderausstellung "Licht und Materie" im Deutschen Museum wird die aktuelle Forschung zu Quantenwissenschaften und -technologien im Entwicklungsprozess gezeigt. Welche Erkenntnisse dabei gewonnen werden, ist in vielen Bereichen noch offen. Wohin geht die Reise? Was sind Chancen und Risiken? Und woran wird zukünftig gearbeitet?

Bei dieser Station haben Besucherinnen und Besucher die Möglichkeit, eigene Fragen an die Forschenden zu richten. Die Fragen werden auf eine Postkarte geschrieben und in den Briefkasten eingeworfen. Die Antworten können hier eingesehen werden.

What are the most unique or rare items you have found throughout these years?

I assume you are asking the museum team here: The most unique object I found during the preparation of the exhibition is a set of four wooden crates full of round glass disks from ca. 1970, with a diameter of 17 cm. These disks look like commercial samples of different glass types that you might use for your bathroom window or your office door. However, they were used for something completely different: Engineers tried to create artistic light effects by shining laser light through these glass disks. The light is diffracted, there are interference effects and in the end you see beautiful geometrical patterns with organic changes between light and shadows. You can see these crates in our exhibition and you can play around with our interactive “laser kaleidoscope” in order to create these light effects yourself. The physical phenomen behind it is the coherence of the laser beam – it would not work with a regular lamp. And since the laser wouldn’t work without quantum effects, maybe it could be considered an artistic quantum technology?

- Eckhard Wallis, Kurator (kommissarisch) und wissenschaftlicher Mitarbeiter, Ausstellungsprojekt "Licht und Materie", Deutsches Museum

What current research projects are being conducted by the museum?

You can find a list of all research projects of the Deutsches Museum here (German only): https://www.deutsches-museum.de/forschung/forschungsinstitut/projekte

- Eckhard Wallis, Kurator (kommissarisch) und wissenschaftlicher Mitarbeiter, Ausstellungsprojekt "Licht und Materie", Deutsches Museum

What would have happened if we knew about quantum physics earlier? How would it have changed culture and technology?

This is a good question. However, if we knew about quantum physics 500 years ago, I am not sure if this would have changed much. At that time, the technology needed to observe, or use quantum physics was not available, so that people would not have believed that. Perhaps philosophers could have thought about that, but this would have been considered as very speculative, given that there was not reason to believe the strange predictions of quantum physics. Still, as technlogy advanced, specially in the 19th century, perhaps the knowledge of quantum physics would have sparked more interest and also explanations to experiments that were carried out, leading to an acceleration in technological development.

- Ignacio Cirac, Director at the Max Planck Institute of Quantum Optics

Do you think quantum technologies can stop wars? And also, can quantum technologies be used by us in the future?

Quantum technologies, like any other technology, can be used for good and bad purposes. Scientists always hope that politicians and, in the last term, society, will regulate their use so that it only adds benefits to society and, in this sense, are used to stop wars and any other kind of violence.

Regarding if they will be used by us in the future, yes, I am sure about that. This will not happen from a day to the next, but they will be slowly and continuously introduced in our lives.

- Ignacio Cirac, Director at the Max Planck Institute of Quantum Optics

Wieso fällt der Tischtennisball nicht von der Paulfalle?

Bei dieser Frage geht es um eine Demonstration in unserer Ausstellung. In diesem Experiment wird ein Tischtennisball auf ein Metallteil gelegt, das so ähnlich wie ein Sattel geformt ist: Zwei Seiten zeigen nach unten, zwei nach oben. Wenn der Sattel stillsteht, dann kann der Ball zu einer Seite herunterrollen. Der Sattel kann sich aber auch drehen: Der Ball möchte dann bergab rollen. Bevor er unten ankommt, hat sich aber der Sattel weitergedreht: Dort wo es eben noch bergab geht, geht es nun bergauf. Der Ball sucht sich also einen neuen Weg nach unten – aber der Sattel dreht sich wieder weiter. Wenn sich der Sattel schnell genug dreht, bleibt der Ball in der Mitte gefangen. So ähnlich funktioniert auch die sogenannte Paul-Falle, die man ebenfalls in der Ausstellung sehen kann: Hier gibt es keinen echten Sattel, aber ein elektrisches Feld, das elektrisch aufgeladene Staubteilchen in der Luft hält. Wie beim Sattel muss sich auch dieses Feld quasi ständig drehen, um die Teilchen in der Luft zu halten. Würde es stillstehen, dann würden die Teilchen zu zwei Seiten wegfliegen.

- Eckhard Wallis, Kurator (kommissarisch) und wissenschaftlicher Mitarbeiter, Ausstellungsprojekt "Licht und Materie", Deutsches Museum

Gibt es im Alltag Quantenphänomene, die man beobachten/erleben kann?

Zum einen kann man sagen, dass jedes Mal, wenn wir ein Handy oder Computer benutzen, wir Quantenphänomene „beobachten“: denn ohne Quantenphänomene (nämlich quantisierte Energiezustände) wäre die Halbleiter-Technologie, auf der die heutige Elektronik basiert, nicht möglich.

Aber wo wir ein ganz entscheidendes Quantenphänomen erleben können, ist das Sonnenlicht. Zunächst kann die Sonne nur deshalb leuchten, weil bei der Fusion der Tunneleffekt stattfindet - ohne dieses Quanten-Tunneln könnten die Wasserstoffkerne gar nicht fusionieren, weil sie nicht genug Energie hatten, um die elektrostatische Abstoßung (“Coulomb-Wall”) zu überwinden. Aber durch das Quantenphänomen der Energie-Zeit-Unschärfe kann die Energieerhaltung für eine kurze Zeit verletzt werden, sodass die Kerne fusionieren können.

Die Quantenphysik kommt aber auch bei den Eigenschaften des Sonnenlichts zum Vorschein: wenn man nämlich sich das Spektrum des Sonnenlichts (d.h. die Aufteilung des Lichts nach Farben) anschaut, was man mit einem selbstgebauten Spektrometer aus einer CD machen kann. Die Beschreibung der Einhüllenden Funktion des Sonnenspektrums hat zur Entdeckung des Planckschen Strahlungsgesetzes geführt, was in der berühmten Quantenhypothese mündete. Außerdem hat bereits im Jahr 1814 unweit von München beim Kloster Benediktbeuern (heute gibt es dort ein Museum), Joseph von Fraunhofer im Sonnenspektrum sehr viele dunkle Linien beobachtet (die man auch mit dem erwähnten CD-Spektrometer beobachten kann!). Man kann sagen, dass in diesen Fraunhofer-Linien die Quantenphysik verborgen ist: Das Rätsel dieser diskret verteilten Linien kann man nur durch die quantisierten Zustände der Atome erklären. Interessant auch, dass in den Fraunhofer-Linien nicht nur die Quantenphysik, sondern auch andere Bereiche der modernen Physik enthalten sind: zum Beispiel hat die systematische Beobachtung der Fraunhofer-Linien in verschiedenen Sternen die moderne Astrophysik und Kosmologie begründet. Mithilfe der Fraunhofer-Linien hat man auch die beschleunigte Expansion des Universums entdeckt, die durch die rätselhafte dunkle Energie verursacht wird, die möglicherweise mit dem Quanten-Vakuum zusammenhängt, was wir in der Physik noch nicht fundamental verstanden haben.

- Dr. Vitaly Wirthl, Postdoktorand am Max Planck Institut für Quantenoptik

Wie groß ist ein Quantencomputer?

Antwort 1: Die Basis von modernen Quantencomputern bilden Quantenprozessoren (QPUs), welche mit supraleitenden Qubits bestückt sind. Diese sind an sich nur so groß wie deine Handfläche. Um diese Prozessoren effektiv zu nutzen, müssen wir sie allerdings extrem stark abkühlen. Die hierfür benötigte Infrastruktur, sowie die gesamte Elektronik zur Ansteuerung des Prozessors nimmt den meisten Platz eines Quantencomputers ein und füllt aktuell ganze Räume - so wie damals die ersten Computer.

– Mirco Troue, Doktorand am Walter Schottky Institut ,TUM


Antwort 2:
Quantencomputer sind derzeit noch sehr groß und nehmen ganze Räume ein. Sie unterscheiden sich in ihrem Aussehen deutlich von klassischen Computern oder Supercomputern. Das Aussehen eines Quantencomputers hängt dabei ganz von der Technologie ab, die genutzt wird. Es gibt verschiedene Ansätze, und es ist noch unklar, welcher sich letztendlich durchsetzen wird.
Ein Ansatz nutzt beispielsweise spezielle elektrische Schaltkreise, supraleitende Schaltkreise, als Qubits. (Qubits sind die grundlegenden Bausteine eines Quantencomputers und das Pendant zu den Bits im klassischen Computer.) Ein anderer Ansatz verwendet Atome als Qubits. In beiden Fällen sind die Qubits zwar klein, der benötigte Aufbau und die umgebende Infrastruktur aber sehr groß. Bei der Verwendung von supraleitenden Qubits ist beispielsweise ein Kryostat erforderlich, ein riesiger Kühlschrank, der die Schaltkreise auf sehr niedrige Temperaturen kühlt, da sie nur unter diesen Bedingungen funktionieren. Bei der Nutzung von Atomen als Qubits müssen diese Atome eingefangen und isoliert werden, wozu man eine Vakuumkammer braucht. Für all diese Infrastruktur, aber auch die Elektronik zur Steuerung der Computer braucht man im Moment ganze Räume.

– Dr. Judith Gabel, Physikerin & Quantum Technology Educator bei QL3 – Quantum LifeLong Learning

An welchen Standorten in Deutschland gibt es bereits Quantencomputer?

Seit 2021 der erste große Quantencomputer von IBM in Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Gesellschaft in Ehningen nahe Stuttgart vorgestellt wurde, sind einige weitere Standorte mit Quantencomputern in Deutschland hinzugekommen. So befinden sich z.B. im Forschungszentrum Jülich oder auch im Leibniz-Rechenzentrum in Garching bei München Quantensysteme. Diese sind durch klassische Computer an das Internet angebunden und können somit über die Cloud vielen verschiedenen Nutzern an unterschiedlichen Standorten für Experimente zur Verfügung gestellt werden.

– Mirco Troue, Doktorand am Walter Schottky Institut, TUM

Gibt es bereits Produkte für jedermann, die Quantenphänomene nutzen?

Ja! Tatsächlich überraschend viele (man könnte wahrscheinlich auch argumentieren, dass fast alle Prozesse auf Quantenphänomenen basieren). Ein schönes Beispiel von etwas, was jeder kennt, sind Magnete!

Viele Atome, und auch ihre Bausteine wie Protonen, Neutronen und Elektronen haben eine Eigenschaft, die sich Spin nennt. Das kann man sich vorstellen, also würden sie eine kleine Kompassnadel mit sich herumtragen. In einem ferromagnetischen Material, wie zum Beispiel Eisen, haben die Atome einen solchen Spin. Bei sehr hohen Temperaturen, für Eisen sind die Temperaturen über 770 Grad Celsius, sind diese Spins alle ungeordnet und Eisen ist ein Paramagnet. Bei Temperaturen unter 770 Grad, ist Eisen aber ferromagnetisch.

Das heißt, die Spins zeigen alle in eine Richtung. Man spricht dann von einer endlichen Magnetisierung. Solche Materialien können von einem Permanentmagneten magnetisiert werden und werden von diesem dann angezogen.

- Dr. Johanna K. Jochum, Wissenschaftlerin am Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz

Wenn wir aus Atomen bestehen, die sich alle gar nicht wirklich berühren, existieren wir dann überhaupt?5.

Antwort 1: Die Atome, aus denen wir bestehen, setzen sich zusammen aus einem Kern und einer äußeren Elektronenhülle. Die Elektronen in der Hülle haben in einer Beschreibung durch die Quantenmechanik allerdings keine feste Position, sondern bilden vielmehr eine Art „Elektronenwolke“. Diese Wolken benachbarter Atome reichen auch ineinander hinein und wechselwirken miteinander. So ergeben sich Kräfte zwischen Atomen, welche diese z.B. zu Molekülen binden können.

– Mirco Troue, Doktorand am Walter Schottky Institut, TUM

Antwort 2: Zunächst ist die Frage nach unserer Existenz in erster Linie eine philosophische und keine naturwissenschaftliche. In der Physik können wir die Natur nur beschreiben, fragen also nach dem "Wie?". Die Frage nach der Existenz gehört eher zur Kategorie “Warum?” und “Wer?”, die mit unserem Glauben und der Weltanschauung zusammenhängen. Manchmal setzen wir bei der Denkweise der Fragen unbewusst eine Weltanschauung voraus, wie es mir bei dieser Frage scheint, die davon ausgeht, dass es nur eine materielle Realität gibt (d.h. dass wir tatsächlich nur aus Atomen bestehen und es keine übernatürliche oder geistige Realität gibt), d.h. eine materialistische Weltanschauung. Ob diese Weltanschauung wahr ist oder nicht, ist eine Frage außerhalb der Naturwissenschaften. Ich finde es spannend, dass nicht nur die Philosophie (siehe z.B. C. S. Lewis im Buch über “Wunder”), sondern auch die moderne Physik den Materialismus durchaus in Frage stellt: es ist tatsächlich komisch, dass die “Materie”, aus der die Natur besteht, scheinbar nicht “greifbar” ist. Elementarteilchen sind eigentlich, wie die Physik herausgefunden hat, gar keine “Teilchen” im Sinne eines unteilbaren Objekts, sondern Anregungen der Quantenfelder, die auf abstrakten Symmetrie-Prinzipien gründen (siehe z.B. Vortrag von W. Heisenberg). Hans-Peter Dürr, der Nachfolger von Heisenberg, hat sogar ein Buch geschrieben mit dem provokanten Titel “Es gibt keine Materie!”. Ich denke zwar, dass man den Begriff der Materie nicht “verbannen” sollte, weil es sich auf die physikalische Realität bezieht, die wir mit der Physik studieren können, und man sonst die Naturwissenschaft mit der Philosophie oder gar Religion vermischen würde, was die Gefahr eines unvernünftigen “esoterischen” Denkens mit sich bringt. Aber ich persönlich bin auch davon überzeugt, dass die materialistische Weltanschauung nicht sinnvoll ist, und bin während meines Physikstudiums zum christlichen Glauben gekommen.

– Dr. Vitaly Wirthl, Postdoktorand am Max Planck Institut für Quantenoptik

Ist es aus Sicht der Quantenphysik möglich, dass mein Geldbeutel gleichzeitig an zwei verschiedenen Orten ist und ich dann doppelt so viel Geld habe?

In der Quantenphysik ist es aufgrund von Superposition tatsächlich möglich, dass sich Objekte an mehreren Orten gleichzeitig befinden. Diese “Superposition” bricht allerdings zusammen, sobald jemand eine Messung des Orts an diesem Objekt durchführt. Die Gesamtwahrscheinlichkeit, das Objekt irgendwo zu messen, ist nach wie vor eins. Auf deinen Geldbeutel übertragen bedeutet dies, dass zum einen die Gesamtmenge des Geldes immer so groß ist, wie das ursprüngliche Geld im Geldbeutel und zum anderen, dass sobald du versuchst, Geld aus dem Geldbeutel zu nehmen, dieser sich zufällig für einen der Orte „entscheidet“ und somit nicht mehr am anderen Ort vorhanden ist.

– Mirco Troue, Doktorand am Walter Schottky Institut ,TUM

Wie können Quantentechnologien dabei helfen, die Probleme unserer Welt (z.B. Klimakrise) zu bewältigen?

In der Klimaforschung werden rechenintensive Berechnungen benötigt, da das Klima ein sehr komplexes System ist, welches man nur mit viel Rechenleistung versuchen kann, realitätsnah zu simulieren. Vielleicht könnte ein Quantencomputer einige Algorithmen zu komplexen Simulationen wie dem Klima deutlich beschleunigen. Aber meiner Meinung nach haben wir schon genug Wissen darüber, dass der Mensch sein Verhalten ändern muss, um das Klima noch zu retten. Vielleicht könnte man jedoch mit neuer Rechenleistung einige Szenarien besser abschätzen, um größere Katastrophen besser vermeiden zu können. Außerdem können mithilfe der Quantentechnologien präzisere Sensoren entwickelt werden, die uns mehr Daten liefern könnten, z.B. aus der Messung des Magnetfeldes oder des Gravitationspotentials in der Geodäsie. Quanten-Sensoren könnten aber auch in der Medizin Anwendung finden. Ein anderes Feld der Quantentechnologien ist die Quanten-Kryptografie, bei der es uns gelingen könnte, für mehr Sicherheit und Schutz vor Internet-Angriffen zu sorgen.

– Dr. Vitaly Wirthl, Postdoktorand am Max Planck Institute für Quantenoptik

zitat_strabley_de

Licht und Materie

Die Sonne am Strand, der Scanner an der Supermarktkasse oder das Signal in einer Glasfaser: Wenn Licht auf Materie trifft – oder Materie auf Licht – geschehen spannende Dinge!

Die neue Sonderausstellung Licht und Materie präsentiert die Grundlagen der Quantenoptik und zeigt, wie sich das Verständnis von Licht und Materie im letzten Jahrhundert gewandelt hat. Diese neuen Erkenntnisse sind Voraussetzung für die Quantenwissenschaften und Quantentechnologien, die heute intensiv erforscht werden.

Accept privacy?

Scroll up