Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Der "große, rauchende Drache" der Quantenphysik

15.03.2016

Copyright: Xiao-song Ma

Die fundamentale Unbestimmtheit quantenphysikalischer Phänomene verglich der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler bereits in den 1970er Jahren metaphorisch mit einem "großen, rauchenden Drachen": Man sieht den Schwanz, also die Quelle der Teilchen, und das Maul, sprich die Messergebnisse. Aber dazwischen befindet sich ein von Qualm umnebelter Körper

Physiker um Anton Zeilinger haben erstmals die fast 100jährige Geschichte quantenphysikalischer "Delayed-choice"-Experimente aufgeschrieben und ausgewertet – von den theoretischen Anfängen bei Albert Einstein bis zu den neuesten Forschungsarbeiten der Gegenwart.

Seit dem 17. Jahrhundert beschäftigte die Wissenschaft die Frage, was Licht ist. Issac Newton war überzeugt, dass es ein Strom von Teilchen ist. Sein Zeitgenosse Christiaan Huygens hingegen argumentierte, dass es sich um Wellen handelt. Die moderne Quantenphysik sagt, dass beide richtig lagen. Licht kann sowohl als Teilchen als auch als Welle beobachtet werden – je nachdem, welche Eigenschaft in einem Experiment gemessen wird, zeigt es sich mehr als das eine oder das andere. Dieser sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus ist eines der grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik. Doch diese Annahme fordert das Alltagsverständnis heraus: Kann ein und dasselbe tatsächlich zwei verschiedene Dinge zugleich sein?

Das Unbestimmte messen

Die fundamentale Unbestimmtheit quantenphysikalischer Phänomene verglich der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler (1911–2008) bereits in den 1970er Jahren metaphorisch mit einem "großen, rauchenden Drachen": Man sieht den Schwanz, also die Quelle der Teilchen, und das Maul, sprich die Messergebnisse. Aber dazwischen befindet sich ein von Qualm umnebelter Körper. Und dieser Nebel lässt sich nicht lichten: Denn erst die Messung bestimmt das Phänomen, nicht umgekehrt. Um das zu beweisen, führte Wheeler ein berühmt gewordenes Gedankenexperiment durch. Beim "Delayed-choice"-Experiment wird die Wahl, ob die Teilchen- oder die Welleneigenschaft bestimmt wird, verzögert bzw. sogar während des Experiments verändert. Dadurch zeigt sich ein und dasselbe Phänomen, wie beispielsweise Licht, in ein und demselben Experiment einmal als Teilchen und einmal als Welle. Es kann also tatsächlich beides sein, abhängig von Zeitpunkt und Art der Messung.

Zahlreiche Quantenphysiker haben in den vergangenen Jahrzehnten versucht, Wheelers Gedanken experimentell zu überprüfen, um damit den Welle-Teilchen-Dualismus auch empirisch zu untermauern. Wie erfolgreich dieses Unterfangen war, haben nun Xiao-song Ma von der Nanjing University, Johannes Kofler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erstmals in einer umfassenden Studie gezeigt, welche die gesamte Geschichte der "Delayed-choice"-Experimente zusammenfasst und evaluiert.

Obwohl sich der Gedanke des Welle-Teilchen-Dualismus bis zu Albert Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts durch Lichtteilchen im Jahr 1905 zurückverfolgen lässt, dauerte es bis in die 1980er Jahre bis erste "Delayed-choice"-Experimente durchgeführt werden konnten. "Erst durch die Entwicklung neuer quantenoptischer Techniken für die schnelle und präzise Messung von Licht, war es möglich, Wheelers Gedankenexperiment in die Tat umzusetzen", sagt Xiao-song Ma, der Erstautor der Studie.

Bedeutsam für Quantenkryptographie und Quantencomputer

"Experimente dieser Art konfrontieren uns mit Grundsatzfragen der Quantenphysik", ergänzt Anton Zeilinger. "Doch auch für zukünftige innovative Anwendungen haben sie große Bedeutung, etwa in der Quantenkryptographie oder in der Weiterentwicklung des Quantencomputers." So lassen sich "Delayed-choice"-Experimente auch auf das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung anwenden, was für die Sicherheit von Quantenkommunikation eine wichtige Rolle spielt. Bei Quantencomputern kann sich in bestimmten Fällen durch die Anwendung von "Delayed-choice"-Experimenten die Rechengeschwindigkeit erhöhen lassen. Die Autoren der Studie, die nun in der Fachzeitschrift "Reviews of Modern Physics" veröffentlicht wurde, erwarten sich daher auch in Zukunft durch "Delayed-choice"-Experimente weitere neue Erkenntnisse in der Quantenphysik und praktische Anwendungen für darauf basierende Technologien.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Quantenphysik
  • Universität Wien
  • Nanjing University
  • MPI für Quantenoptik
  • Österreichische Aka…
  • Quantenkommunikation
  • Quantencomputer
Mehr über Universität Wien
  • News

    Künstliche Intelligenz bringt Licht ins Dunkel

    Die Vorhersage von durch Licht ausgelösten molekularen Reaktionen ist bis dato extrem rechenaufwendig. Ein Team um Philipp Marquetand von der Fakultät für Chemie der Universitäten Wien hat nun unter Nutzung von künstlichen neuronalen Netzen ein Verfahren vorgestellt, welches die Simulation ... mehr

    Das Trojanische Pferd im Molekül

    Einem Forschungsteam um Nuno Maulide von der Fakultät für Chemie der Universität Wien gelang in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum für Molekulare Medizin (CEMM) der ÖAW die Entwicklung eines eigentlich als Naturstoff vorkommenden modifizierten Wirkstoffs, der künftig in der Medikament ... mehr

    Wie schwingen Atome in Graphen-Nanostrukturen?

    Um das Verhalten von modernen Materialien wie Graphen zu verstehen und für Bauelemente der Nano-, Opto- und Quantentechnologie zu optimieren, ist es entscheidend zu wissen wie Schwingungen zwischen den Atomen – sogenannte Phononen – die Materialeigenschaften beeinflussen. Forscher der Unive ... mehr

  • Videos

    Wenn Chemiker mit Molekülen spielen

    Nuno Maulide und Leticia González von der Uni Wien haben eine neue Reaktion entwickelt, um sogenannte Heterozyklen billiger und umweltfreundlicher herzustellen. mehr

  • q&more Artikel

    Superfood & Alleskönner?

    Egal, ob die Web-Community abnehmen oder sich gesund ernähren will, Chia, das Superfood, ist immer dabei und gilt manchen als „Alleskönner“. Einschlägige Internet-Foren kommunizieren die verschiedensten Rezepte von Chia-Pudding und Chia Fresca, gefolgt von solchen für Muffins und sogar Marm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Susanne Till

    Jg. 1955, ist Universitätslehrerin und seit über 30 Jahren am Department für Ernährungswissenschaften der Universität Wien. Schwerpunkte in der Lehre der promovierten Biologin (Hauptfach Botanik) sind Botanik und Biologie, Gewürze und einheimische Wildpflanzen in der Humanernährung sowie Qu ... mehr

Mehr über Nanjing University
  • News

    Leistung von mikrobiellen Brennstoffzellen erheblich steigern

    Manche Mikroorganismen können unter anaeroben Bedingungen Strom erzeugen. Auf diese Fähigkeit greift man bei der mikrobiellen Brennstoffzelle zurück, die besonders für Klärwerke interessant ist. Ein Schwachpunkt ist dabei die nach wie vor unbefriedigende Energiedichte. Wissenschaftler aus S ... mehr

    Alles in einem gegen CO2

    Lichtfänger, photothermischer Wandler, Wasserstoff-Produzent und Katalysator in einem, das bietet ein „selbstaufheizender“ Bor-Katalysator, der Sonnenlicht besonders gut ausnutzt, um Kohlendioxid (CO2) effizient zu reduzieren. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Forscher diese phot ... mehr

    Neues Hochleistungselektrodenmaterial für Natriumbatterien

    Die Anforderungen an moderne Akkumulatoren für stationäre Energiespeichersysteme sind nichts weniger als lange Lebensdauer, geringe Kosten, hohe Sicherheit, hoher Wirkungsgrad und eine hohe Betriebspannung. Preiswertes Natrium als Ersatz für das teure Lithium in den Batterien würden die Kos ... mehr

Mehr über Österreichische Akademie der Wissenschaften
Mehr über MPI für Quantenoptik
  • News

    Direkte Abbildung von Riesenmolekülen

    Die optische Auflösung einzelner Konstituenten herkömmlicher Moleküle ist aufgrund der kleinen Bindungslänge im Sub-Nanometerbereich bisher nicht möglich. Physikern unter Leitung von Prof. Immanuel Bloch, Direktor der Abteilung Quantenvielteilchensysteme am MPQ,  ist es nun jedoch gelungen, ... mehr

    Elektronenspektrometer entschlüsselt quantenmechanische Effekte

    Elektronische Schaltkreise sind derart miniaturisiert, dass sich quantenmechanische Effekte bemerkbar machen. Mithilfe von Photoelektronenspektrometern können Festkörperphysiker und Materialentwickler mehr über solche elektronenbasierte Prozesse herausfinden. Fraunhofer-Forschende haben daz ... mehr

    Moleküle brillant beleuchtet

    Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt ist. Mit brillantem Infrarotlicht wollen Wissenschaftler des Labors für Attosekundenphysik (LAP), der Ludwig-Maximilians-Universität ( ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Institut für Quantenoptik

    Die Wechselwirkung von Licht und Materie unter extrem kontrollierten Bedingungen ist das gemeinsame Kennzeichen der fünf wissenschaftlichen Abteilungen am Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Die Abt. Laserspektroskopie befasst sich mit der hochpräzisen Vermessung der Spektrallinien von Wa ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.