Abstract Wie mußte man sich Anfang der zwanziger Jahre das physikalische Geschehen im atomaren Bereich vorstellen? Konnten klassische Bilder den erhofften Erfolg bringen? Oder mußte man den sicheren Boden der Elektrodynamik verlassen zugunsten einer neuen Weltsicht, die es erst zu schaffen galt? Die Geschichte der Bohr‐Kramers‐Slater‐Theorie liefert uns ein bizarres Schlaglicht auf das Ringen um die „wahre”︁ Theorie des Mikrokosmos.
Abstract Wie mußte man sich Anfang der zwanziger Jahre das physikalische Geschehen im atomaren Bereich vorstellen? Konnten klassische Bilder den erhofften Erfolg bringen? Oder mußte man den sicheren Boden der Elektrodynamik verlassen zugunsten einer neuen Weltsicht, die es erst zu schaffen galt? Die Geschichte der Bohr‐Kramers‐Slater‐Theorie liefert uns ein bizarres Schlaglicht auf das Ringen um die „wahre”︁ Theorie des Mikrokosmos.
Zusammenfassung Die Schaffung der Quantenmechanik war eine der grundlegendsten und wichtigsten Entwicklungen der Physikgeschichte. Sie erschütterte die Grundfesten eines Weltbildes, das auf den Systemen der klassischen Mechanik einerseits und der Maxwellschen Elektrodynamik andererseits beruhte. Beide konnten bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts auf eine eindrucksvolle Erfolgsgeschichte zurückblicken. Mit der Einführung der Quantenmechanik galt es aber auch, sich von einer deterministischen Weltsicht zu verabschieden, zumindest wenn man der Kopenhagener Interpretation folgte. Gleichzeitig macht diese Geschichte deutlich, dass die Wissenschaft kein statisches Gebäude ist, dessen Mauern für ewig unerschütterlich sind. Wissenschaft ist Wandel. Das gilt nicht nur für den Übergang von der klassischen Physik zur Quantenmechanik, sondern erst recht für jene turbulenten Entwicklungen, die überhaupt erst zur Aufstellung dieser bahnbrechenden Theorie führten.
Es könnte auf Grund der Tatsachen, die wir im letzten Kapitel besprochen haben, scheinen, als wenn die physikalische Forschung zu einer fast vollständigen Bestätigung dessen geführt hätte, was die griechischen Philosophen der materialistischen Schule vorausgeahnt haben — wenn auch in der Bezeichnungs- und Ausdrucksweise Unterschiede bestehen von solcher Art, daß wir beispielsweise das Wort „Atom“ heute gerade auf ein nicht unzerlegbares, sondern vielmehr seinerseits noch aus einfacheren Teilen aufgebautes Gebilde anwenden. Wir haben eben nicht dasjenige, was wir heute „Atom” nennen, sondern vielmehr die Elektronen, Protonen, Neutronen mit den Atomen der Griechen zu vergleichen. Aber das nach den im vorigen Kapitel behandelten Ergebnissen so klar und durchsichtig erscheinende Gebiet der Atomforschung bekommt ganz neue, unerwartete und verwirrende Züge durch weitere Feststellungen; und es liegt eine gewisse Ironie der Entwicklung darin, daß die Entdeckung dieser neuen, wieder völlig verwirrenden Tatsachen bereits begonnen wurde, bevor noch die wirklichen Beweise für die Realität der Atome gewonnen waren. Gerade im Jahre 1900 machte Max Planck diejenige Entdeckung, welche die Entwicklung der Atomforschung in ganz neue Bahnen lenken und der experimentellen und theoretischen Arbeit der Physiker ein riesiges Forschungsgebiet ganz neu erschließen sollte. So drängen sich gerade um die Jahrhundertwende die für die Atomphysik bedeutendsten Entwicklungen zusammen: Gerade damals meldete sich die auf den Positivismus gestützte Kritik der bis dahin ausgebildeten atomistischen Ideen: Ernst Mach vor allem legte klar, daß in Wirklichkeit die Atomhypothese noch etwas durchaus Unbewiesenes und nach dem damaligen Stande der Dinge völlig Entbehrliches sei. Bald nach 1900 jedoch wurden die ersten experimentellen Beweise für die Realität der Atome erzielt. Aber schon 1900 machte Planck diejenige Entdeckung, deren tiefsten Sinn zu erfassen erst vor wenigen Jahren abschließend gelungen ist, und aus der uns allmählich die Einsicht erwachsen ist, daß in Wahrheit die Atome doch etwas völlig anderes sind, als das, was die alten Philosophen sich darunter dachten.
Photonen, die Quanten des Lichts, können sehr komplexe räumliche Strukturen einnehmen, wenn sie frei propagieren. Diese Strukturen werden durch räumliche Moden beschrieben, und ergeben einen unendlich-dimensionalen, diskreten Hilbert-Raum. Eine interessante Eigenschaft von Photonen in diesen Lichtstrukturen ist, dass sie einen quantisierte Einheit von Drehimpuls tragen können welcher -- zumindest theoretisch -- nach oben hin unbeschränkt ist. Dieser unbeschränkte Zustandsraum lässt im Prinzip Informationskodierung mit einem groß en Alphabet zu, das Informationsdichten von mehr als einem Bit pro Photon ermöglicht. Diese Eigenschaft ist natürlich in der klassischen Kommunikation interessant, wo sie bereits benützt wird um Datenraten von mehr als 100 Tbit/sec zu erreichen. Speziell in quantenphysikalischen Situationen lässt es auch sehr interessante Möglichkeiten zu, wie zum Beispiel hochdimensionale Verschränkung. Zwei Systeme sind verschränkt, wenn sie gemeinsam eine von mehreren Eigenschaften annehmen können (wie zum Beispiel die Polarisation von Photonen), diese Eigenschaft aber vor der Messung noch nicht realisiert ist. Erst durch die Messung von einem der Systeme wird eine Eigenschaft realisiert (zum Beispiel, dass das Photon horizontale Polarisation hat), und weil es eine gemeinsame Eigenschaft des Photonen-Paars ist, nimmt auch das zweite Photon diese Eigenschaft an -- egal wie weit es entfernt ist. Hochdimensionale Verschränkung bedeutet, dass die Photonen eine von vielen Eigenschaften gemeinsame einnehmen könnten. Aber erst durch die Messung wird eine dieser Einstellungen realisiert -- und im gleichen Augenblick nimmt das Partner-Photon diese Eigenschaft an. Das zeigt, dass zwei Photonen gemeinsam über groß e Distanzen hinweg auf eine nicht-lokale/nicht-reale Weise viel Information tragen können. In dieser Arbeit habe ich mich mit räumlichen Strukturen von Photonen und ihren quantenphysikalischen Eigenschaften beschäftigt -- in groß en Hilbert-Räumen als auch in groß en realen Räumen. Im ersten Experiment wird untersucht, in wie vielen Dimensionen man zwei Photonen verschränken kann. Wir konnten Photonenpaare erzeugen, die in über 100 Dimensionen verschränkt sind -- und haben diese in einer Serie von insgesamt 200.000 Messungen auch nachweisen können. Der entsprechende Hilbert Raum ist vergleichbar mit zwei-dimensionaler Verschränkung von etwa 13 Teilchen. Das zeigt ein riesiges Potential für die Umsetzung von Quantenkommunikations-Experimenten mit bereits vorhandenen Technologien. Aufbauend darauf haben wir uns gefragt, ob Photonen in diesen Lichtstrukturen auch über Distanzen übertragen werden können, die größ er sind als typische optische Tische im Labor -- was natürlich für realistische Quantenkommunikations-Experimente notwendig ist. Diese Frage wurde bis zu dem Zeitpunkt nur in theoretischen Modellierungen und numerischen "Experimenten" untersucht -- mit durchaus kritischen Resultaten. Da es aber noch keine experimentellen Untersuchungen gab, noch nicht einmal für klassische Laser mit räumlichen Strukturen, haben wir über einen 3 Kilometer langen Kommunikationslink -- durch die Stadt Wien -- einen ersten Test gemacht. Dieser erste Test zeigte (für uns unerwartet) gute Resultate, sodass wir in einem Nachfolgeexperiment auf dem gleichen 3 Kilometer Link auch verschränkte Photonen in räumlichen Strukturen übertragen haben. Wir konnten die Eigenschaft der Verschränkung tatsächlich nachweisen, was bedeutet dass die räumliche Struktur von Einzelphotonen durch die Atmosphäre nicht zu stark beeinflusst wird. Um die Limits weiter auszuschöpfen, haben wir ein klassisches Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln über 143 Kilometer durchgeführt, und die übertragenen Strukturen konnten immer noch erkannt werden. In einer weiteren Arbeit wollten wir das Potential von hochdimensionaler Verschränkung auf mehrere Teilchen erweitern, um neue Effekte in hoch-dimensionaler Vielteilchen-Verschränkung zu untersuchen. Dabei stieß en wir gleich auf das folgende praktische Problem: Uns war nicht klar, wie der dementsprechenden experimentelle Aufbau aussehen sollte, der solche Zustände erzeugen kann. Das Problem habe ich gelöst durch einen Computeralgorithmus (den wir Melvin nennen) der automatisch Implementationen von Experimenten finden kann. Mehrere dieser computer-designten Experimente wurden in unseren Labors bereits erfolgreich umgesetzt, andere werden im Moment gebaut. Diese daraus resultierenden Experimente erlauben die Untersuchung von Zuständen im Labor, die man sonst nur auf Papier analysieren kann. Die computer-designten Experimente sind sehr kontraintuitiv, und schwierig zu verstehen -- sie beinhalten aber auch Techniken an die wir normalerweise nicht denken würden. Ein solcher technische Trick hat uns zur Entdeckung einer neuen Art von sehr allgemeiner Verschränkungserzeugung inspiriert, und ist (für mich) ein Beispiel von erfolgreicher Mensch-Maschine Synergie. Im letzten Kapitel habe ich neun Folgefragen und -Projekte aufgelistet, deren Lösung ich besonders spannend finden würde.
Die Quantenmechanik, die zwischen 1900 und 1930 entwickelte Theorie mikrophysikalischer Objekte, gilt mit Recht als das Fundament der modernen Physik. Zugleich hat sie eine radikale Umwälzung unseres wissenschaftlichen Weltbildes bewirkt - sicher vergleichbar mit der Evolutionstheorie oder der Relativitätstheorie. Und doch ist die Quantenmechanik bis heute eigentlich unverstanden und gibt ungelöste Rätsel auf. Niels Bohr und Albert Einstein, selbst an ihrer theoretischen Entwicklung beteiligt, führten in den 20er und 30er Jahren eine intensive Diskussion um das angemessene Verständnis der neuen Theorie - eine der wissenschaftlich wie philosophisch bedeutsamsten Debatten des 20. Jahrhunderts.
Die Mitte der zwanziger Jahre kennzeichnet nicht nur den Höhepunkt jenes tiefgreifenden Umbruchs im physikalischen Denken, den man heute vielfach als das „goldene Zeitalter der Physik“ heroisiert. Dieser Zeitraum war auch der Höhepunkt im Schaffen Erwin Schrödingers. Beginnend mit dem Jahr 1926 erschienen nämlich unter dem Titel „Quantisierung als Eigenwertproblem“ eine Reihe klassisch zu nennender Abhandlungen, mit denen Schrödinger die bis dahin etwas mysteriöse Wellenmechanik mit einem Schlage auf eine feste Grundlage zu stellen wußte. Diese Arbeiten und die etwa zur selben Zeit entstandene Matrizenmechanik Heisenbergs signalisierten zugleich das Ende jener „anarchischen“ Periode der Quantentheorie, die mit Plancks kühner Quantenhypothese begonnen und in der Bohr-Sommerfeld-schen Atomtheorie ihre Blüte erfahren hatte.
Abstract In einem supraleitenden Resonator gefangene Mikrowellen‐Photonen stellen ein ideales System dar, um die Gedankenexperimente der Gründerväter der Quantenmechanik zu verwirklichen. Die Wechselwirkung dieser gefangenen Photonen mit Rydberg‐Atomen, die den Resonator passieren, veranschaulicht fundamentale Aspekte der Messtheorie. Die Experimente, die mit diesem “Photonenkasten” an der Ecole Normale Supérieure (ENS) durchgeführt werden, gehören dem als “Resonator‐Quantenelektrodynamik” (“Cavity Quantum Electrodynamics”) bezeichneten Gebiet der Quantenoptik an. Uns gelang die zerstörungsfreie Zählung von Photonen, die Erfassung von einzelnen Quantensprüngen des Feldes, die Präparation und Rekonstruktion von “Schrödingerkatzen‐Zuständen” von Photonen sowie die Untersuchung ihrer Dekohärenz, was eine bemerkenswerte Veranschaulichung des Übergangs von der Quanten‐ zur klassischen Welt bietet. Die Experimente haben ebenfalls zur Demonstration grundlegender Schritte der Quanteninformationsverarbeitung geführt, darunter die deterministische Verschränkung von Atomen und die Verwirklichung von Quanten‐Gattern unter Verwendung von Atomen und Photonen als Quanten‐Bits. Dieser Vortrag beginnt mit einer Einführung, die die Verbindung zwischen dem Photonenkasten an der ENS und den Experimenten mit Ionenfallen von David Wineland hervorhebt, dessen begleitender Vortrag einen Überblick über seinen eigenen Beitrag auf dem Gebiet der Kontrolle einzelner Teilchen bietet. Ich werde anschließend einen persönlichen Einblick in die Frühzeit des Gebiets der Resonator‐Quantenelektrodynamik geben, bevor ich die wichtigsten Experimente beschreibe, die in den letzten zwanzig Jahren an der ENS durchgeführt wurden. Der Vortrag endet mit einer Diskussion, die unsere Arbeit mit jener anderer Wissenschaftler vergleicht, die sich mit der Kontrolle einzelner Quantenteilchen beschäftigen.