Wissenschaft: Alles sehr rätselhaft

In Wien wollen einige Physiker die Welt auf den Kopf stellen. Sie erforschen das Universum der Quanten und feiern dabei weltweit Erfolge.

Der gesunde Menschenverstand zählt hier wenig. Jörg Schmiedmayer lotet täglich die Grenzen dessen aus, was das Gehirn verstehen kann – oder eben nicht mehr. Gerade ist der 50-jährige Quantenphysiker von einem Workshop an der Harvard University zurückgekommen. Jetzt sitzt der Vorstand des Atominstituts der Technischen Universität Wien wieder in seinem Labor im Prater, wo er täglich die Welt, wie man sie gemeinhin zu kennen glaubt, auf den Kopf stellt.

In der Praxis sieht das recht unspektakulär aus. Hinter den Türen eines langen Ganges tummelt sich auf Versuchstischen allerhand Gewirr: Kabel, Optiken, Leitungen und Linsen stehen unter schwarzen Abdeckplatten. Nur die Laser und die Kühlzylinder, in denen die Atome frieren, erinnern ein wenig an Star Trek . Am Gang riecht es nach Kaffee, drinnen surren Rechner. Doch was in diesen Labors geschieht, ist Weltklasse. Über Jahrzehnte ist es österreichischen Quantenphysikern gelungen, in Innsbruck und Wien Oasen der Exzellenz aufzubauen. Inmitten der Uni-Misere. Was ist vom Vienna Center of Quantum Science and Technology, kurz VCQ, zu erwarten, wo seit Jahresbeginn die Kräfte der Wiener Physiker gebündelt werden?

Sechs Arbeitsgruppen mit mehr als 100 Wissenschaftlern von TU, Universität Wien und Akademie der Wissenschaften bilden das VCQ. Budget gibt es noch keines, jedoch bereits die ersten Publikationen. Die 100000 Euro, die das Ministerium zur Verfügung stellt, reichen gerade zur Finanzierung von einer der drei Postdoc-Stellen, die jährlich ausgeschrieben werden sollen. Aber Geldbeschaffung ist das täglich Brot des Wissenschaftlers. »Es war eine bewusste Entscheidung, klein anzufangen«, sagt Schmiedmayer. Langfristig soll das VCQ Spitzenleute aus aller Welt anziehen.

Ein Quantencomputer ist noch lange nicht in Sicht

Dass aller Anfang schwer ist, zeigt die Geschichte von Helmut Rauch. Der Kernphysiker wurde von allen Seiten belächelt, als er in den sechziger Jahren mit seiner Arbeit am Forschungsreaktor im Prater begann. Mit diesem Maschinchen könne man doch nicht vernünftig Physik betreiben, hieß es. Nach ersten Experimenten mit Quanten legte sein Schüler Anton Zeilinger, heute Gründungsmitglied des VCQ, den Grundstein für die Quantenphysik in Innsbruck. Mitte der neunziger Jahre gelang es, den späteren Nobelpreisanwärter Peter Zoller aus den USA an den Inn zu locken, nach dem Umzug nach Wien folgten weitere Koryphäen. Darunter auch Schmiedmayer, Spitzname Mr. Atomchip, dem es als Erstem gelungen war, ultrakalte Atome auf einem Chip einzufangen. Nach Stationen in Harvard, Heidelberg, Boston und Peking kam er 2006 nach Wien. Die Stadt und Siemens finanzierten sein Labor mit einer Million Euro.

Worum sich die hoch spezialisierte Forschung dreht, ist nur schwer zu fassen, obwohl es doch nur um die kleinsten Energieteilchen geht: Quanten, die sich durch ihre Ladung und ihren Drall charakterisieren. Auf einen bestimmten Zustand lassen sie sich allerdings nicht festlegen – weil sie ihn ständig wechseln. Eine Katze – das Tier, das der Physiker Erwin Schrödinger für sein berühmtes Gedankenexperiment benutzte – existiert entweder tot oder lebendig: Für sie gibt es nur zwei Zustände. In der Quantenwelt aber lassen sich Aufenthaltsort und Impuls der Teilchen nicht vorhersagen, ihr Zustand ist beliebig – und entsteht überhaupt erst durch eine Messung. Auf das Beispiel der Katze übertragen, könnte sie also gleichzeitig tot und lebendig sein, oder irgendwo dazwischen. Erst durch unsere Beobachtung nimmt sie einen Zustand an. Klingt verrückt, aber ab einer gewissen Größe verhalten sich Teilchensysteme genau so.

Das verändert den Blick darauf, wie die Informationsgesellschaft funktioniert, komplett. In herkömmlichen Computern werden Informationen in Form von Bits elektromagnetisch in zwei Zuständen gespeichert: Sie entsprechen dem Wert 1 oder 0. Was aber, wenn ein Bit quantenmechanisch funktionierte und verschiedene Werte besitzen könnte? Bereits ein System zweier Quantenbits (Qubits) könnte die Zustände 00, 01, 10 und 11 gleichzeitig annehmen und eine Rechenoperation in allen Varianten ablaufen. Eine Ansammlung von 300 Atomen, die je ein Quantenbit speichern, könnte mehr Werte enthalten, als es Teilchen im Universum gibt. Die Rechenleistung so eines Computers wäre unvorstellbar. »Das Missverständnis liegt nur darin, dass Konzept mit Anwendung verwechselt wird«, bremst Schmiedmayer. Eine Art von Informatikgerät sei nirgends in Sicht. »Das könnte auch so schwierig zu implementieren sein, dass man es erst in 1000 Jahren schafft, aber beschäftigen muss man sich trotzdem damit.«