Humboldt-Universität zu Berlin - Mathematisch-Naturwissen­schaft­liche Fakultät - Nanooptik

Der Messprozess wird axiomatisch in die Quantenmechanik eingeführt, da er nicht aus der mit der Schrödinger-Gleichung beschriebenen Dynamik von Quantensystemen abgeleitet werden kann. War es in den Gründerzeiten der Quantenmechanik noch kein, oder zumindest kein absehbar experimentell relevantes Problem, dass die übliche axiomatische Formulierung die Unterscheidung in ein gemessenes Quantensystem und einen makroskopischen Beobachter fordert, so ist dies spätestens mit zunehmender Kontrolle auch über Vielteilchenquantensysteme mit makroskopischen Ausdehnungen (s. Interferenz makroskopischer Objekte und Bose-Einstein-Kondensat - Theorie) nicht mehr so einfach. Wann ist ein mikroskopisch aus Quantenteilchen zusammengesetztes System ein "makroskopischer Beobachter"?

Es ist allgemein bekannt, dass Albert Einstein bis zuletzt die Quantentheorie als "unvollständig" ("Gott würfelt nicht") betrachtete. In einer mit Podolsky und Rosen veröffentlichten Arbeit hat er dabei seine Kritik an der Quantentheorie mittels eines Gedankenexperiments zur "spukhaften Fernwirkung" verschränkter Teilchen auf den Punkt gebracht und die berühmte Einstein-Bohr-Debatte ausgelöst. Auch wenn er die Auflösung selbst nicht mehr erlebt hat, so hat diese Arbeit entscheidend den Weg zu einem tieferen Verständnis der Quantentheorie geebnet (s. auch Bell'sche Ungleichung).

Nachdem die Einstein-Bohr-Debatte über die sogenannte "spukhafte Fernwirkung" verschränkter Zustände (s. Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon) lange Zeit als rein philosophisches Interpretationsproblem betrachtet wurde, ist John Bell der Nachweis gelungen, dass die Debatte doch experimentell entschieden werden kann, d.h. es ist möglich, experimentell herauszufinden, ob die von Einstein, Podolsky und Rosen geforderte Erklärung des Paradoxons einfach mittels fehlender Kenntnis über weitere, sogenannte verborgene Parameter erklärt werden kann oder nicht. Zusammen mit dem später erfolgten experimentellen Nachweis stellt dies einen Meilenstein der Quantenphysik dar.

Einstein postulierte 2005 die Quantisierung des Lichtfeldes. Später wurde der Begriff "Photon" für das Licht-"Teilchen" eingeführt. In diesem Vortrag soll erläutert werden, was Photonen sind, wie man die Quantisierung des Lichtfeldes nachweist und welche Anwendungskonzepte es gibt. Der Vortrag ergänzt sich gut mit dem Thema Quantenkryptographie.

Eine absolut sichere Datenübertragung ist heutzutage ein Kernziel bei der fast jeglicher Kommunikation. Mit Hilfe der Quantenkryptografie gelingt es, die Sicherheit auf der Basis der Quantenphysik, also auf Naturgesetzen, aufzubauen. Im Vortrag wird die Quantenkryptographie anhand des BB84-Protokolls vorgestellt. Andere Protokolle und der derzeitige Stand der technischen Umsetzung werden diskutiert.

Eine der spannendsten offenen Fragen zu den Grundlagen der Quantenmechanik ist die, ob deren Gesetze auch für makroskopische Objekte gelten, oder ob das ab einer gewissen Teilchengröße eventuell nicht mehr der Fall ist. Diese Frage lässt sich heutzutage für Makromoleküle und Cluster mit weit über 10000 atomaren Massenenheiten in Materiewelleninterferometern experimentell untersuchen. Das Prinzip solcher Messungen und aktuellste Varianten der Experimente werden in diesem Vortrag vorgestellt.

In Sciene-Fiction-Filmen ist Beamen oder Teleportieren eine beliebte Transportmethode. Mit verschränkten Photonen kann tatsächlich ein allgemeiner Quantenzustand über beliebige Entfernungen teleportiert werden. Das Prinzip der Quantenteleportation und die experimentellen Realisierungen werden in diesem Vortrag erläutert. Der Unterschied zum "echten" Beamen wird diskutiert.

Grundlagen und Experiment - Je nach Spin verteilen sich Quantenteilchen bei einer festen Temperatur unterschiedlich auf die zur Verfügung stehenden Energieniveaus. Wie bereits 1925 gezeigt wurde, sollten Teilchen mit ganzzahligem Spin (Bosonen) bei sehr niedrigen Temperaturen eine neuartige Phase mit ungewölichen Eigenschaften bilden, ein Bose-Einstein-Kondensat (BEK). Eine der markantesten Eigenschaften eines BEK ist die Tatsache, dass sich alle (ununterscheidbaren) Quantenteilchen im exakt gleichen, energetisch tiefstliegenden Quantenzustand befinden. Dies kann z. B. der Grundzustand des harmonischen Oszillators sein, dessen Potential in guter Näherung durch eine Atomfalle gebildet werden kann. Bilden nun, wie es mittlerweile experimentell möglich ist, 106 oder mehr Atome in einer Falle ein BEK, so ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit jedes einzelnen Atoms über die gesamte Falle (oft im Mikrometerbereich) verteilt, bildet also ein makroskopisches Vielteilchenquantensystem, an dem viele spannende Experimente möglich sind (s. Bose-Einstein Kondensat - Experiment und Quantensimulator)! In diesem Vortrag werden die Verfahren vorgestellt (Laserkühlung, Magnetische Fallen, evaporative Kühlung, …), welche heute die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten aus ultra-kalten Atomen im Labor ermöglichen.

Die theoretische Behandlung quantenmechanischer Vielteilchensysteme erscheint angesichts des mit der Zahl der Freiheitsgrade und somit Teilchen exponentiell anwachsenden Hilbert-Raums, der zur Beschreibung notwendig ist, schnell aussichtslos. Dies hat Richard Feynman zu der Erkenntnis gebracht, dass eigentlich nur die Natur mit diesen explodierenden Hilbert-Räumen umzugehen weiß, so dass eine Lösung nur mittels eines Modellquantensystems möglich erscheint. Dieses Modellsystem, heute oft als Quantensimulator bezeichnet, zeichnet sich idealer Weise durch extrem hohe experimentelle Steuerbarkeit aus, so dass praktisch jeder interessierende Vielteilchen-Hamilton-Operator darauf abgebildet (emuliert) werden kann. Mit dem Einbringen ultrakalter Atomgase (s. Bose-Einstein Kondensat - Experiment) in optische Gitter erscheint ein solches Quantensimulatorsystem möglich zu werden. In dem ersten entsprechenden Experiment wurde vor etwas mehr als 10 Jahren z. B. zum ersten Mal der Phasenübergang vom Mott-Isolator zur superfluiden Phase, wie er im Hubbard-Modell der Festkörperphysik vorhergesagt wurde, experimentell beobachtet. Aber auch die Quantensimulation von relativistischen Effekten (mit fast bewegungslosen, ultrakalten Atomen!), von Gittereichtheorien oder gar von Quark-Gluon-Plasmen wird bereits diskutiert.

Die Phänomene der Quantenphysik stellen nicht wenige Physiker vor massive "Verständnisprobleme". Wie können z. B. verschränkte Teilchen von der Messung ihres Partners "erfahren", wenn das Ereignis außerhalb des Ereignishorizonts liegt (s. Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon und Bell'sche Ungleichung)? David Bohm hat versucht, über eine alternative Formulierung der Quantenmechanik z. B. das klassische Konzept von Teilchentrajektorien zu bewahren. Die sogenannte Bohm'sche Quantenmechanik hat daher eine nicht geringe Zahl an Befürwortern, die darauf verweisen, dass sich einige Quantenphänomene so deutlich "einfacher" verstehen lassen. Was sind aber die Vor- und Nachteile dieser alternativen Formulierung? Was ist der "Preis", der gezahlt werden muss, um das Konzept von Trajektorien zu bewahren?

Der Welle-Teilchen-Dualismus ist ein bekanntes Paradoxon der Quantenphysik. Am selben Objekt können Welle- oder auch Teilcheneigenschaften gemessen werden. In einem Gedankenexperiment stellte sich Archibald Wheeler die Frage, ob die „Entscheidung“ eines Quantenobjekts sich als Welle oder Teilchen zu zeigen nicht nachträglich seine Geschichte verändert. Das Gedankenexperiment und aktuelle Realisierungen werden im Vortrag vorgestellt.