Zwischen Schwerkraft und Quantenwelt
Es sind oft die Grenzen, an denen es spannend wird: Als Kontaktflächen bieten sie Raum für Austausch, Spannung – aber auch Konflikt. Und während wir in der Welt da draußen Grenzen gewöhnt sind, ist es doch überraschend, dass auch die Welt der Physik in zwei Teile zerfällt.
Einerseits ist da die Sphäre der Quantentheorie, die seit ihrer Entwicklung vor gut 120 Jahren von einem Erfolg zum nächsten geeilt ist: Von den flüchtigsten Teilchen bis zum Glühen der Sterne, Physiker*innen benutzen Quantenphysik, um eine beeindruckende Bandbreite von Phänomenen zu beschreiben.
Von dieser Welt scheinbar getrennt, existiert andererseits das Reich der Schwerkraft, die Planeten, Gasnebel und Galaxien auf ihre Bahnen zwingt. Beide Theorien sind aus der modernen Physik nicht wegzudenken. Es gibt nur ein Problem: Schwerkraft und Quanten passen nicht gut zusammen.
Verbindung gesucht
Diese Tatsache wurmt Physiker*innen wie Philip Walther. "Wir suchen eigentlich nach einer Theorie, die alles beschreibt", sagt der Professor für Quantenphysik an der Uni Wien. "Deswegen ist es interessant zu schauen, wie die beiden grundlegend verschiedenen Theorien interagieren."
Doch das ist gar nicht so leicht, denn in der Regel kommen sich Schwerkraft und Quantenphysik nicht ins Gehege: Bei großen Massen und hohen Energien sind Quanteneffekte vernachlässigbar klein, genau wie umgekehrt die schwache Gravitation im Mikrokosmos meist keine Rolle spielt.
Erst seit Kurzem, und dank modernster Experimente, lassen sich Effekte an den Grenzlinien der beiden Hemisphären der Physik untersuchen. Um die Auswirkungen der Schwerkraft auf Quantensysteme zu sehen, gibt es zwei Möglichkeiten: "Entweder erreichen wir eine extrem hohe Präzision, oder wir arbeiten mit größeren Massen", sagt Walther.
Testobjekt Photon
Das Team um Walther verfolgt den ersten Ansatz: "Wir arbeiten masselos, und damit direkt im Geltungsbereich der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein", sagt der Physiker. Masselos – das bedeutet Licht, denn wie aus Einsteins Formeln hervorgeht, besitzen Lichtteilchen, Photonen, keine (Ruhe-)Masse.
Tatsächlich ist Licht der prominenteste Bewohner des Grenzgebietes zwischen Gravitation und Quantenphysik: Obwohl einzelne Photonen Quantenobjekte sind, spüren sie den Einfluss der Schwerkraft, wenn sie etwa im All auf gekrümmten Bahnen um Galaxienhaufen zischen.
Für Walther, Experte für Quantenzustände des Lichts, sind Photonen daher der ideale Forschungsgegenstand – insbesondere, da ihre Wechselwirkung mit der Schwerkraft nur mithilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie korrekt beschrieben werden kann, und nicht durch das heute überholte Newtonsche Gravitationsgesetz.
Wie genau Gravitation und Photonen interagieren, wird Walther gemeinsam mit dem Gravitationsphysiker Piotr Chruściel von der Uni Wien im Rahmen des internationalen Projekts GRAVITES erforschen, an dem auch Forschungsgruppen des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Uni München beteiligt sind.
Präzises Interferometer
Herzstück des mit einem ERC Synergy Grant in Höhe von fast neun Millionen Euro ausgezeichneten Vorhabens wird ein Glasfaser-Interferometer sein, das den Einfluss der Schwerkraft auf verschränkte Photonen über eine Gesamtlänge von 50 bis 100 Kilometer vermessen soll.
Dabei handelt es sich um einen Aufbau, wo einem verschränkten Photonenpaar zwei gleich lange Wege zur Verfügung stehen, die sich am Ende wieder vereinen. Der Clou ist, dass einer der Wege über dem anderen liegen wird. Da die Schwerkraft mit steigendem Abstand von der Erde schwächer wird, sind die Pfade durch das Interferometer so verschiedenen Gravitationseinflüssen ausgesetzt.
Dieser Unterschied in der Schwerkraft sollte sich in einer Veränderung des Verschränkungszustands der Photonen bemerkbar machen. Doch: "Getestet wurde diese Vorhersage bisher nicht", sagt Walther. Mit dem geplanten Interferometer könnte erstmalig der Einfluss von Gravitation auf Quantenverschränkung - einem der wesentlichen Charakteristika in der Quantenphysik – experimentell untersucht werden, so der Physiker – und womöglich Abweichungen festgestellt werden. "Das wäre natürlich besonders aufregend."
Interferometer
... sind unverzichtbar in der Quantenphysik. Sie bestehen aus zwei Wegen, die ein Quantensystem einschlagen kann, in denen unterschiedliche Bedingungen herrschen. So könnte etwa ein Pfad durch ein starkes Magnetfeld führen, oder näher an einer großen Masse vorbei. Der Einfluss dieser Kräfte wirkt sich in einem Phasenunterschied der Wellen aus, mit denen Physiker*innen die Quantensysteme beschreiben. Dadurch kommt es zur Interferenz, also zur gegenseitigen Verstärkung oder Auslöschung der Wellen, wenn die Wege wieder überlappt werden. So können selbst winzigste Einflüsse auf die Systeme nachgewiesen werden.
Verschränkung
... tritt auf, wenn zwei Quantensysteme sich so verhalten, als ob sie ein einzelnes System wären. Das äußert sich beispielsweise in Korrelationen, die zwischen Messergebnissen an verschränkten Paaren bestehen und die nicht durch Eigenschaften der einzelnen Partnersysteme erklärt werden können. Was genau hinter Verschränkung steckt, ist unter Physiker*innen – und Philosoph*innen – umstritten, fest steht aber, das Phänomen lässt sich als Ressource nutzen, etwa für die abhörsichere Verteilung von digitalen Schlüsseln oder in Quantencomputer.
Herausfordernde Grundlagenforschung
Die dafür nötige Präzision ist eine gewaltige technische Herausforderung: Das Interferometer muss gegen thermische Schwankungen, Vibrationen und andere Störungen abgeschirmt und die Länge der Arme aktiv stabilisiert werden. Nach dem Umbau der Fakultät für Physik soll dem Experiment sogar ein eigener Raum zur Verfügung stehen, der möglichst von der Umgebung entkoppelt ist.
So wird das im Labormaßstab empfindlichste Experiment seiner Art entstehen. Die dabei gewonnenen Fähigkeiten zur exakten Manipulation von Lichtquanten – und mögliche technische Spin-offs – sind für die Fachleute aber nur ein angenehmer Nebeneffekt. Im Zentrum steht die Vermessung jenes rätselhaften Grenzgebiets zwischen Gravitation und Quantenphysik.
Er erforscht Quantenzustände des Lichts, mit deren Hilfe er etwa Quantencomputer baut, abhörsichere Kommunikationsprotokolle umsetzt oder die Verbindungslinien zwischen Schwerkraft und Quantenphysik untersucht. Für seine Arbeit wurde Walther mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, unter anderem mit dem Fresnel-Preis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft, dem START-Preis des FWF sowie dem Friedrich Wilhelm Bessel-Preis der Alexander-von-Humboldt-Stiftung. Walther ist derzeitig Sprecher der Quantengruppe an der Uni Wien sowie des interinstitutionellen Forschungsverbundes "Quantum Aspects of Space Time (TURIS)".