Quantenmechanik treibt heute Laser und Computer an

Die Quantenmechanik galt lange als eine der rätselhaftesten Ideen der Wissenschaft. Sie beschreibt das Verhalten von Atomen und Lichtteilchen – und widerspricht dabei oft der alltäglichen Erfahrung. Ein Teilchen kann gleichzeitig an zwei Orten sein, und zwei Teilchen können über beliebige Entfernungen hinweg miteinander verbunden bleiben. Albert Einstein nannte das „spukhafte Fernwirkung“. Heute, ein Jahrhundert später, ist aus dieser seltsamen Theorie die Grundlage für Technologien geworden, die unseren Alltag prägen: Laser in Supermarktkassen und bei Augenoperationen, Mikrochips in Computern, und bald auch Quantencomputer, die bestimmte Rechenaufgaben in Sekunden erledigen, für die klassische Rechner Jahrtausende bräuchten.

In einem neuen Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift Science hat Dr. Marlan Scully von der Texas A&M University die Entwicklung der Quantenmechanik nachgezeichnet – von einer abstrakten Idee über winzige Teilchen zu einem mächtigen Werkzeug für die größten Fragen der Wissenschaft. Scully, der auch an der Princeton University forscht, hat selbst maßgeblich zur Entwicklung des Feldes beigetragen. Er war Mitautor des einflussreichen Lehrbuchs Quantum Optics und entwickelte Methoden, um Moleküle mit atomarer Präzision zu untersuchen. Seine Arbeiten zu sogenannten Quanten-Wärmekraftmaschinen zeigen, dass es möglich sein könnte, die klassischen Grenzen der Energieeffizienz zu überschreiten – ein Prinzip, das eines Tages zu völlig neuen Energietechnologien führen könnte.

Die Grundlagen der Quantenmechanik wurden von Pionieren wie Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg gelegt. Schrödinger formulierte 1935 sein berühmtes Gedankenexperiment mit einer Katze, die in einer Kiste gleichzeitig tot und lebendig sein soll – um zu zeigen, wie absurd die Theorie auf den ersten Blick erscheint. Heute sind diese einst bizarren Konzepte keine philosophischen Rätsel mehr, sondern die Basis für Quantencomputer, Quantenkryptographie und sogar den Nachweis von Gravitationswellen. Die Quantenkohärenz – ein Zustand, in dem Teilchen wie Atome oder Lichtteilchen über weite Strecken hinweg koordiniert bleiben – führte direkt zur Entwicklung des Lasers, einer Technologie, von der viele zunächst glaubten, sie würde nie funktionieren.

Die Anwendungen der Quantenmechanik reichen heute weit über die Physik hinaus. In der Biologie helfen Methoden wie die kohärente Raman-Spektroskopie dabei, Viren und andere Strukturen im Nanometerbereich zu untersuchen – das ist millionenfach kleiner als ein Millimeter. Quantenideen fließen auch in die Erforschung des Universums ein: Wissenschaftler arbeiten an Theorien wie der Stringtheorie und der Quantengravitation, um die Quantenmechanik mit Einsteins Relativitätstheorie zu vereinbaren – eines der größten ungelösten Probleme der Physik. Sogar das Verständnis von Turbulenzen in Luft und Flüssigkeiten, das für Wettervorhersagen und die Flugsicherheit wichtig ist, profitiert von Quantenexperimenten mit supraflüssigem Helium.

Trotz eines Jahrhunderts voller Erfolge wirft die Quantenmechanik weiterhin tiefgreifende Fragen auf. Lässt sich die Schwerkraft quantisieren – verhält sie sich also auf kleinsten Skalen wie die anderen Kräfte? Können Quantencomputer die Medizin und die Materialwissenschaften revolutionieren? Scully ist überzeugt, dass die Suche nach Antworten gerade erst beginnt. „Zu Beginn des 20. Jahrhunderts dachten viele, die Physik sei abgeschlossen“, sagt er. „Jetzt, im 21. Jahrhundert, wissen wir: Das Abenteuer fängt gerade erst an.“