Physiknobelpreisträger: Mit Tricks fängt man Teilchen

Die frohe Kunde ereilte ihn auf der Straße. Mit seiner Ehefrau steuerte Serge Haroche gerade die Pariser Wohnung an, da kam der Anruf aus Stockholm. "Glückwunsch, Sie erhalten den Physiknobelpreis!" Überwältigend sei das gewesen, sagt der 68-jährige Physiker. "Ich war froh, als ich mich hinsetzen konnte." Zu Hause köpften die beiden erst mal eine Flasche Champagner.

Haroche, Professor am Collège de France, teilt sich den Preis mit dem US-Amerikaner David Wineland, ebenfalls Jahrgang 1944. Dieser forscht am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder im US-Bundesstaat Colorado.

Beide erhalten die Auszeichnung für ihre Arbeiten in der Quantenphysik: Mit ausgefeilten Experimenten wiesen die Wissenschaftler nach, dass sich einzelne Atome und Lichtteilchen, die Photonen, ganz anders verhalten, als wir es aus der Alltagswelt gewohnt sind. Damit schufen sie auch die Basis für zwei Zukunftstechnologien: den Quantencomputer und die optische Atomuhr.

Schon seit Langem wissen die Physiker, dass Atome und Photonen den bizarren Regeln der Quantenphysik gehorchen: Beispielsweise können sie sich an mehreren Stellen zugleich aufhalten. Das Problem: Dieses Quantenverhalten ist fragil. Die kleinste Störung genügt, und solche Systeme sind zerstört. Lange schien es unmöglich, dem Quantentreiben einzelner Atome zuschauen oder dieses sogar messen zu können, ohne es kaputt zu machen.

Dann aber, Mitte der 90er-Jahre, ließen sich Haroche und Wineland trickreiche Versuche einfallen: Wineland baute eine spezielle Atomfalle - eine luftleer gepumpte Edelstahlkammer, in der elektrische Felder einzelne Teilchen bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts in der Schwebe halten. Wineland schoss schwache, speziell geformte Laserblitze in die Kammer. Diese tasteten die schwebenden Atome ab, ohne ihre Quantennatur zu zerstören. Das sei "ein bisschen so, also ob man einen Kuchen zwar isst, ihn danach aber noch hat", sagt Per Delsing, Mitglied des Nobelkomitees.

Dem Franzosen Haroche gelang ein ähnliches Kunststück - allerdings nicht mit Atomen, sondern mit Lichtteilchen. Der Physiker ersann eine Art Spiegelkabinett, in das sich einzelne Photonen einsperren lassen: Das schwache Licht flitzt zwischen zwei extrem blanken Spiegeln hin und her und bleibt ein Weilchen gefangen. Immerhin eine Zehntelsekunde ließ sich das Licht in der Falle halten - lang genug für Präzisionsexperimente: Haroche schickte spezielle Atome in sein Miniaturspiegelkabinett. Damit konnte er die Photonen nicht nur zählen wie die Murmeln in der Hand, sondern auch ihre Quantennatur vermessen.

"Den Preis haben die beiden unbedingt verdient, sie standen für uns ganz oben auf der Liste", meint Jochen Ertmer, Laserexperte der Universität Hannover. "Hinzu kommt, dass ihre Experimente die Grundlage für zwei aussichtsreiche Zukunftstechnologien bilden." So gelang es Wineland, den ersten, noch primitiven Prototyp eines Quantencomputers zu konstruieren.

Ein Quantencomputer funktioniert anders als ein gewöhnlicher PC, der mit Schalteinheiten rechnet, die auf null oder auf eins stehen. Ein Quantencomputer kann eins und null gleichzeitig, und er kann sämtliche Werte dazwischen annehmen. Solche Rechner könnten digitale Sicherheitscodes knacken oder bestimmte Simulationen abarbeiten - und sie wären viel schneller als heutige Rechner. Bis zur Marktreife dürfte es aber noch Jahrzehnte dauern. Eher in Reichweite scheint eine zweite Anwendung, die optische Atomuhr, die 100-mal genauer wäre als die heutige Atomuhr. Dave Wineland hat schon einen Prototyp gebaut. Im nächsten Jahrzehnt könnte die Technik einsatzreif sein - und uns ein besseres GPS für die hochpräzisen Navigationsgeräte der Zukunft bescheren.