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.
Fragen zu Anwendungen & Impakt der Quantenphysik
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
What are the most concerning applications of quantum technology in the near future? Weaponization? Military or security applications?
What are the most concerning applications of quantum technology in the near future? Weaponization? Military or security applications?
One major concern is the impact on cryptography. Quantum computers could break widely used encryption methods. This capability would compromise the security of sensitive data, including military communications, financial transactions, and personal information. Quantum sensing and imaging technologies also pose strategic challenges. These technologies have the potential to create extremely sensitive detection systems, which can give great advantages to science but also enable to track stealth aircraft, detect submarines, and improve radar systems. Such advancements could undermine existing stealth technologies and shift the balance of military power, potentially leading to a new arms race as nations strive to maintain strategic advantages. In the realm of quantum communications, the development of unhackable quantum communication networks could give certain nations a significant edge in secure communications. This would enhance their ability to conduct intelligence operations and coordinate military activities without the risk of interception.
However, the same technology could also be used to develop secure communication channels for malicious activities, complicating efforts to combat terrorism and other security threats. Furthermore, quantum-enhanced artificial intelligence (AI) poses dual-use risks. Quantum computing could significantly accelerate AI and machine learning, leading to advancements in autonomous weapons, sophisticated cyberattacks, and enhanced surveillance systems. The ethical and security implications of such technologies are profound, as they could lead to increased automation in warfare and more invasive surveillance, raising concerns about privacy and human rights. Addressing these risks proactively is crucial to ensuring that the advancements in quantum technology contribute to global security and stability rather than exacerbating threats and conflicts.
- Julia Draeger, Doktorandin am TUM
Ist es nicht auch wichtig, über die Bedeutung der Technologien zu sprechen? Wohin führen uns Datenmengen in kürzester Zeit transportiert und gespeichert? Verantwortung der Wissenschaft?
Ist es nicht auch wichtig, über die Bedeutung der Technologien zu sprechen? Wohin führen uns Datenmengen in kürzester Zeit transportiert und gespeichert? Verantwortung der Wissenschaft?
Die Beförderung und Speicherung von großen Datenmengen ist zur Zeit keine Anwendung von Quantentechnologien.
Darüber hinaus gibt es am Anfang eines Projektes immer zwei Fragen: “Können wir das Angestrebte erreichen?“ und “Sollten wir Angestrebte erreichen?”. Letztere versucht die gesellschaftliche Relevanz und Verantwortung der Forschung zu ergründen. Diese Frage ist derart wichtig, dass bei nahezu jeder wissenschaftlichen Veröffentlichung versucht wird, diese Frage zu beantworten.
- Timo Sommer, Doktorand am TUM
Could we imagine a future where quantum computers are normal and everyone has one of them? If yes in how much time and how would we be able to cool such a computer in the case of a regular laptop?
Could we imagine a future where quantum computers are normal and everyone has one of them? If yes in how much time and how would we be able to cool such a computer in the case of a regular laptop?
At this moment, we cannot tell for sure. However, the idea seems to be that most people will be able to access the “cloud” and connect to a quantum computer that is owned by a company (Google, IBM etc). Quantum computers become useful only for very big problems that maybe companies could have (for example, optimal routing of the electrical network in Germany), but for small scale problems (such as going from your house to a restaurant as fast as possible) classical computers are already very fast, so it will not be very useful to own one.
- Daniel Molpeceres, Doktorand am 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
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
Fragen zu physikalischen und technischen Inhalten
Kann man mit dem Phänomen von Quantum-Entanglement Information ”funktionell” schneller als die Geschwindigkeit von Licht senden?
Kann man mit dem Phänomen von Quantum-Entanglement Information ”funktionell” schneller als die Geschwindigkeit von Licht senden? Bsp.: Es werden mit der Parker II Musik n-Anzahl an entangled Information geschickt, dann bei gewissen Triggern die dazugehörige Entanglement auslösen, und so die Info auf der Erde sofort ankommt anstatt nach ~8 Minuten? -Zike
Nein, das ist leider nicht möglich. Zwar legen sich die Zustände von verschränkten Systemen sofort fest, wenn man einen dieser Zustände bestimmt, allerdings kann man damit keine Information übertragen werden. Um einen Informationsaustausch zu ermöglichen, muss man nach der Messung eines verschränkten Systems immer noch das Ergebnis der Messung austauschen, da du vorher nicht weißt, was du messen wirst.
– Mirco Troue, Doktorand am Walter Schottky Institut ,TUM
How many particles are needed to form a black hole?
How many particles are needed to form a black hole?
When a star has burned through all of its hydrogen and reached its end of life, two things can happen that depend on the mass of the star. Stars below the so-called Chandrasekhar limit become stable white dwarf stars. Stars above this limit can become neutron stars or black holes. This limit amounts to roughly 1.4 solar masses (expressed in tons this is a number with 28 digits). If you assume every particle to the the same mass, let’s say the mass of a proton, you would need 1.6*10^57 particles. This is a number with 58 digits: 1653000000000000000000000000000000000000000000000000000000
– Mirco Troue, Doktorand am Walter Schottky Institut ,TUM
Wie groß sind die kleinsten Teilchen des Universums?
Wie groß sind die kleinsten Teilchen des Universums?
Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die Physik unserer Elementarteilchen, d.h. der Elektronen, Quarks, Photonen etc. Innerhalb dieses Modells sind die Elementarteilchen punktförmig und bisher gibt es keine hinreichenden experimentellen Anzeichen, dass die Teilchen eine Substruktur oder “Größe” hätten. In Teilchenbeschleunigern wie dem LHC versucht man in Kollisionen mit immer höheren Energien nach einer Substruktur oder Physik jenseits des Standardmodells zu suchen. Alternativ gibt es auch Hochpräzisions-Experimente, die mit Hilfe von ultrakalten Molekülen nach Korrekturen von unserem Standmodell suchen wollen.
- Lukas Homeier, Doktorand am Fakultät für Physik, LMU
How can photons be massless if they can hit objects?
How can photons be massless if they can hit objects?
Well, you have to define “hitting” precisely. Think about your body: it is made of atoms, which are essentially empty space, and you can still “hit” things, right? A “hit” could be described as a change in momentum (p), which depends on the energy (E) of your light; the famous E=mc^2 equation by Einstein is actually missing an important term; E^2=m^2c^4+p^2c^2, where p is the momentum. So a particle can have m=0 and still have energy, therefore being able to “hit” things!
- Lukas Homeier, Doktorand am Fakultät für Physik, LMU
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
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
Fragen zu Quantencomputing
An welchen Orten generell gibt es bereits Quantencomputer?
An welchen Orten generell gibt es bereits Quantencomputer?
An Quantencomputern wird derzeit noch viel geforscht.Daher können diese einerseits in Laboren von Universitäten oder Forschungsinstitutionen gefunden werden, andererseits sehen große Tech-Firmen, wie z.B. Google oder IBM, das riesige Potential von Quantencomputern und forschen deshalb in ihren eigenen Forschungszentren. Ebenso gibt es diverse Start-Ups, die auch Quantencomputer bauen und an diesen forschen. Zuletzt können auch jetzt schon Quantencomputer gekauft werden. Je nach Budget sind die Käufer wieder große Firmen, aber auch Privatpersonen können sich bereits kleine Quantencomputer kaufen, auch wenn der Nutzen dieser sehr stark begrenzt ist.
- Florian Fertig, Doktorand am LMU
Ein Quantencomputer hat ja immer einen Fehler, mit dem man rechnen muss. Er kann also nicht alle Prozesse mit 100% Genauigkeit ausrechnen. Warum?
Ein Quantencomputer hat ja immer einen Fehler, mit dem man rechnen muss. Er kann also nicht alle Prozesse mit 100% Genauigkeit ausrechnen. Warum?
Auf dem Papier können wir einen Quantencomputer ohne Fehler "bauen". Unsere Welt ist jedoch kein idealisiertes System und der Quantencomputer wechselwirkt mit seiner Umgebung, zum Beispiel mit elektromagnetischen Wellen. Darüber Hinaus ist ein Qubit selbst ein hochkomplexes Objekt und kein simples System mit nur zwei Zuständen. Daher sind die idealisierten Operationen, zum Beispiel wie wir zwei Qubits verschränken, nie perfekt im Labor. Von theoretischer Seite arbeitet man an Algorithmen, die helfen, solche Fehler effizient zu erfassen und zu korrigieren. In sogenannten "Quantum Error Correction Codes" gibt es eine maximale Fehlerquote, die unterschritten werden muss, um Fehler korrigieren zu können. Experimentell arbeitet man an der schwierigen Herausforderung die Fehler soweit zu unterdrücken, dass man Quantum Error Correction anwenden kann. Sobald diese Schwelle unterschritten ist, kommt man der Realisierung eines großskaligen Quantencomputer einen großen Schritt näher.
Fun fact: Auch dein klassischer Computer macht Fehler, welche mit Error Correction Codes detektiert und korrigiert werden.
- Lukas Homeier, Doktorand am LMU
Gibt es praktische Anwendung für Quantencomputer? Kann man die klein genug für ein Quantensmartphone machen?
Gibt es praktische Anwendung für Quantencomputer? Kann man die klein genug für ein Quantensmartphone machen?
Zurzeit werden wenig praktische Anwendungen von Quantencomputern gelöst. Die Rechenleistung (Anzahl von Qubits) ist bisher noch nicht ausreichend dafür. Mit mehr stabilen Qubits wären aber praktische Anwendungen wie das „Simulieren von Quantensystemen“ denkbar. Wäre man in der Lage, bestimmte Quantensysteme zu simulieren, könnte man an einem Quantencomputer neue zielgerichtete Medikamente berechnen, chemische Prozesse hinsichtlich Energieverbrauch optimieren oder unser Verständnis von Quantenmechanik erweitern.
Obwohl die genutzten Quantensysteme für Qubits zum Teil nur die Größe von Elementarteilchen e.g. Photon oder Elektronen haben, werden oft Apparaturen von der Größe eines Kleiderschranks benötigt, um diese zu kontrollieren. Die Apparaturen beinhalten dabei eine Vielzahl an komplexen Messgeräten, Lasern und Präzisionsnetzteilen, deren Größe sich nicht ohne Weiteres reduzieren lässt. Daher gehe ich davon aus, dass es wohl noch eine Weile dauern wird, bevor wir Quantum Smartphones in unseren Händen halten können.
- Timo Sommer, Doktorand am Walter Schottky Institut ,TUM
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
Fragen zu Kryptographie (Verschlüsselung/Entschlüsselung
Philosophische Fragen
Wenn wir aus Atomen bestehen, die sich alle gar nicht wirklich berühren, existieren wir dann überhaupt?
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
Was wird man niemals mit Hilfe der Quantenphysik herausfinden können?
Was wird man niemals mit Hilfe der Quantenphysik herausfinden können?
Da die Quantenphysik noch ein aktives Feld in der Forschung ist, wissen wir nicht, wie weit die Forschung noch reichen kann. Daher ist es nicht wirklich möglich zu sagen, was “niemals” mit Hilfe der Quantenphysik herausgefunden werden kann.
Andererseits ist es so, dass die komplette Physik aufeinander aufbaut. Zum Beispiel finden zwar Newtons Gesetze in der Quantenphysik keine Anwendung, dennoch hat sich die Quantenphysik aus den Newtonschen Gesetzen und der daraus folgenden Forschung über viele Jahre entwickelt. Daher wird die zukünftige Forschung immer in gewisser Art und Weise auf der Quantenphysik beruhen. Das gilt auch, falls sich herausstellen sollte, dass Quantenphysik “falsch” ist, wie zum Beispiel Newtons Gravitation eine vereinfachte Darstellung der Gravitation, wie Einstein sie beschreibt.
- Florian Fertig, Doktorand am LMU
Was ist der Raum zwischen Atomkern und Atomhülle? Die Energie, die uns erfüllt? Entstehen dort alle unsere Gedanken und Gefühle?
Was ist der Raum zwischen Atomkern und Atomhülle? Die Energie, die uns erfüllt? Entstehen dort alle unsere Gedanken und Gefühle?
In der klassischen Vorstellung eines Atoms, dem sogenannten Bohrschen Atommodell, besteht der Atomkern aus Protonen und Neutronen, während die Elektronen in bestimmten Energieniveaus um den Kern kreisen. Man kann sich das Atom in diesem Modell wie eine Art Miniatur-Sonnensystem vorstellen, in dem die Elektronen wie Planeten um den Kern (die Sonne) kreisen. Der Raum zwischen dem Atomkern und der Atomhülle wird oft als leerer Raum betrachtet.
In der Quantenmechanik wird dieser Raum jedoch nicht als leer betrachtet. Stattdessen beschreibt man die Position der Elektronen durch Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die angeben, wo sich ein Elektron mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit aufhalten könnte. Diese Verteilung wird oft als Orbital bezeichnet. Die Elektronen sind also nicht in festen Bahnen wie Planeten um die Sonne angeordnet, sondern existieren in einem Zustand von Unschärfe und Wahrscheinlichkeit.
Die Idee, dass in dem Raum zwischen Atomkern und Atomhülle Gedanken und Gefühle entstehen, ist eher metaphorisch. Gedanken und Gefühle sind Produkte komplexer biologischer Prozesse im Gehirn, die auf neuronalen Aktivitäten (Signale zwischen Neuronen) basieren. In der Physik gibt es Konzepte wie die Quantenmechanik, die das Verhalten von Teilchen auf sehr kleinen Skalen beschreiben. Diese Konzepte sind aber nicht direkt mit dem menschlichen Bewusstsein oder Emotionen verbunden. Das Verständnis von Gedanken und Gefühlen erfordert eine interdisziplinäre Betrachtung aus Psychologie, Neurowissenschaften und Philosophie.
- Michelle Lienhart, Doktorandin am TUM
Is it true that so far no one in this world has truly understood quantum physics?
Is it true that so far no one in this world has truly understood quantum physics?
One saying in physics is: “You will never truly understand quantum physics, you can only get used to it”. This refers to the weirdness of some quantum physics experiments. So people do the math, find matching results in the experiments and accept the fact that thighs might feel weird. However, it remains an active field of research, that means there are still many things to discover. So no quantum researcher can claim that she/he “truly understood everything in quantum physics”.
- Timo Sommer , Doktorand am TUM
Fragen zum Alltag eines Forschenden // Studium der Physik
Wart ihr schon als Kinder sicher, dass ihr Forscher werden möchtet?
Wart ihr schon als Kinder sicher, dass ihr Forscher werden möchtet?
Ich wollte als Kind immer Fußball-Profi werden, fand Feuerwehr, Ritter und Dinosaurier, dergleichen cool. Und vor allem anderen hatte ich seit Kindergarten und Grundschule eine große Faszination für das Weltall. Schon in der dritten Klasse hatte ich mir als Ziel gesetzt, einmal der erste Mensch auf dem Mars zu werden. Diese Faszination für den Weltraum hat sich später bei mir in eine Faszination für die Physik gewandelt. Zu Beginn meines Studiums war mein festes Ziel, es irgendwann einmal zur NASA oder ESA zu schaffen. Auch wenn ich nun in der Quantenphysik arbeite, ist meine Faszination für den Kosmos nach wie vor geblieben.
- Korbinian Rubenbauer, Doktorand am Walther-Meißner-Institut der BAdW
Kann ich mit einer 3 in Physik und Mathe Quantenphysik studieren?
Kann ich mit einer 3 in Physik und Mathe Quantenphysik studieren?
Ja, in der Regel ist es möglich, mit einer 3 in Physik oder Mathe ein Studium in Physik (beinhaltet Quantenphysik) oder Quantentechnologie zu beginnen. Die genauen Anforderungen können jedoch je nach Universität und Land variieren. Manche Universitäten haben spezifische Zulassungskriterien, die auch andere Faktoren wie das Abiturzeugnis, Aufnahmeprüfungen oder persönliche Interviews berücksichtigen. In Deutschland sind die Anforderung nach meiner Erfahrung nicht sonderlich hoch, sodass jeder mit abgeschlossenem Abitur Physik/Quantenphysik studieren kann, egal welche Note man in der Schule in Mathe oder Physik hatte.
Am allerwichtigsten ist allerdings, dass man sich für die Quantenphysik interessiert und sehr viel im Studium darüber lernen möchte. Wenn man für ein Thema brennt, dann ist das Studium leichter, macht viel Spaß und man bekommt bessere Noten. Wenn du dich in der Schule und auch außerhalb sehr für die Quantenphysik interessierst, dann wirst du auch ein Studium sehr gut meistern, obwohl du in der Schule eine 3 in Physik und Mathe hattest.
- Michelle Lienhart, Doktorandin am am Walter Schottky Institut ,TUM
Pop Culture & Mehr
Does it run Crysis?
Does it run crysis?
So far unfortunately not and to me it feels like it will still take a while. Quantum Computers do have their incredible advantages, but for everyday applications normal computers are most likely here to stay. But maybe at some point in the future, a mad scientist will bring the meme to its ultimate finale and run crysis on a quantum computer.
- Korbinian Rubenbauer, Doktorand am Walther-Meißner-Institut der BAdW
Is time travel possible with the help of quantum physics (Marvel reference)?
Is time travel possible with the help of quantum physics (Marvel reference)?
Marvel smartly mentioned a lot of buzz words to explain their time travel in Endgame. But unfortunately it is not more than that. Even though it would be extremely cool to travel through time and bring back Iron Man, quantum physics to the best of our knowledge unfortunately does not allow for time travel. As Stephen Hawking said: If time travel is possible, where are the tourists from the future?
- Korbinian Rubenbauer, Doktorand am Walther-Meißner-Institut der BAdW
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
Ausstellung und 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
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
What are the most unique or rare items you have found throughout these years?
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
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.