Seminar von Nobelpreisträger Serge Haroche an der ETHZ

Am 6. November Besuchte Physik-Nobelpreistraeger Serge Haroche die ETH, um einen Vortrag zu seiner Forschung in der Quantenphysik im Physik-Kolloquium zu halten. Professor Wallraff schaffte es zusaetzlich, jenen zu einer kleinen “Vorlesung”, die sich direkt an Master- und Bachelorstudenten richten sollte, zu motivieren. Da Prof. Wallraff auch Phyik III fuer uns haelt, empfohl er uns zwei mal pro Woche dort zu erscheinen. Mit Erfolg, denn ca. 2 Drittel unseres Jahrgangs gingen hin, darunter auch ich. Und es hat sich gelohnt.

Mit Comic Sans und knalligen Farben in seinen Präsentation kann man auch Nobelpreisträger werden

Im Vergleich zum letzen Nobelpreistraeger den ich live gesehen habe (James Watson, Mitentdecker der DNA und Erwecker des Fremdschaemens), praesentierte sich Haroche bodenstaendig und verstaendnisvoll und hielt eine gleichzeitig informative und inspirierende Praesentation. Er hielt sich auch an die Grundidee, den Vortrag fuer uns verstaendlich zu gestalten. Seine drei Hauptaspekte, die natuerlich alle irgendwie zusammenhaengen, moechte ich deswegen gerne wiedergeben.

Quantenmechanik im Alltag

Als damals die Grundideen der QM in den Köpfen von z.B. Bohr und Einstein Form annahm, rechnete neimand damit, dass man diese irgendwann experimentell verifizieren konnte, geschweige denn eine Anwendung dafuer finden wuerde. Tatsächlich mochte Einstein, dem die Tatsache missfiel, dass “Gott Wuerfel spielt”, die QM nicht einmal besonders. Jedoch treffen wir heutzutage ueberall auf Anwendungen der QM, zum Beispiel GPS. Bei der Otrsbestimmung mit GPS bestimmen ja alle fuer einen sichtbaren GPS-Sateliten die Entfernung zu dir, und berechnen daraus deine Position. Dafür braucht jeder Satellit eine präzise Uhr, wobei nur die auf der QM basierenden Atomuhren in Frage kommen. Zusätzlich muss noch Einsteins spezielle Allgemeine und spezielle Relativitätstheorie berücksichtigt werden. Nur so kommen wir auf die beeindruckend genaue Positionsbestimmung, die wir täglich mit unseren Smartphones nutzen damit die NSA besser weiss wo wir sind.

Blue sky research

An diesem Beispiel sieht man, dass Forschen ohne Anwendung im Hinterkopf auch ein wichtiger Bereich in der Wissenschaft ist. Haroche nannte es “Blue sky research”, also ins Blaue hinein zu forschen. Und auch wenn es zur Lebzeit des Forschers keine Anwendung gibt, so kann man doch immerhin einen Nobelpreis bekommen, wie man an Haroche sieht, der sein Leben nichts anderes gemacht hat. Doch was hat er denn jetzt genau so tolles gemacht?

Haroches Nobelpreis-Versuch und Schödingers Katze

Selbst in der Popkultur taucht dieses alte Gedankenexperiment auf: Schrödingers Katze. Auf dieses Experiment und die Verbindung zu dem von Haroche möchte ich nun eingehen. In der Quantenmechanik sind Zustände oft nicht eindeutig definiert, sie sind eine statistische Superposition von mehreren. Wie zum Beispiel beim Doppelspaltversuch, wo man nicht nur nicht vorhersagen kann welchen Weg das Photon nimmt, sondern wo man sagen kann: es nimmt beide Wege gleichzeitig (Sonst würden selbst einzelne Photonen beim Doppelspaltversuch nicht interferieren).

Wenn man es also schafft, solch eine Superposition an etwas grösseres zu koppeln, wie an Leben und Tod einer Katze in einem Kasten, was beobachtet man dann? Bleibe ich mal beim Doppelspalt: Spalt 1 bedeutet Katze tod, Spalt 2 bedeutet Katze lebendig. Ist die Katze dann tod und lebendig gleichzeitig? Das Problem bei der Umsetzung ist: wie soll man den Doppelspalt mit der Katze verbinden? Irgendwo muss gemessen werden, zum Beispiel der Weg beim Doppelspalt indem man eine Kamera vor einen Spalt hält. Das macht die Superposition aber kaputt. Anders formuliert: es ist schwer, Quantensysteme zu ihrer Lebzeit zu manipulieren, ohne sie zu zerstören.

Haroche schafft es in seinem Experiment aber endlich, dies umzusetzen. Allerdings nicht mit Katze und Doppelspalt, sondern mit Rydbergatomen und Photonen. Die Rydbergatome, bei denen Hauptquantenzahlen der Valenzelektronen eine Superposition von zweien war (er erklärte nicht, wie man das macht), schiesst er durch eine Kavität mit Photonen drin, und misst die Atome nachdem sie wieder rausgekommen sind. Das Quantensystem wurde also durch die Photonen manipuliert und man kann durch Rückschlüsse aus der anschliessenden Messung der Atome rausfinden, was passiert ist. Das war ungefähr das, was Haroche uns gesagt hat. Wenn man er präziser wissen will, sollte am besten sein Paper lesen.

War also prima, dass Serj Haroche sich Zeit für uns genommen hat, das ist für einen Mann wie ihn nicht selbstverständlich. Ich freue mich schon auf den nächsten Nobelpreisträger, den ich sehen werde!