Die Quantenphysik – stiller Motor der modernen Ingenieurkunst

Professor Bucella, ab wann muss man die Quantenphysik wirklich heranziehen, um die Welt um uns herum zu erklären?

Das hängt davon ab, wie tief man erklären will. Viele Phänomene lassen sich mit klassischer Physik beschreiben, so wie Newton das sehr erfolgreich getan hat. Will man jedoch eine grundlegendere Erklärung, kommt man an der Quantenphysik nicht vorbei. Wenn wir beispielsweise nicht in einen Stuhl einsinken, würde man dies klassischerweise mit dem dritten Newtonschen Gesetz, Aktion und Reaktion, erklären, aber quantenmechanisch ist es das Pauli-Prinzip, das eine Abstossung zwischen den Elektronen bewirkt.

Welches Alltagsbeispiel zeigt diese «unsichtbare Quantenwelt» besonders gut?

Eine Kaffeetasse ist ein perfektes Beispiel. Nach klassischer Physik müsste ein warmer Körper Strahlung bei allen Frequenzen aussenden, auch im Ultraviolett- oder Röntgenbereich. In Wirklichkeit bestrahlt uns eine Kaffeetasse aber nicht, weil sie nicht genug Energie hat, um solche Photonen zu erzeugen. Die von Planck eingeführte Energiequantelung erklärt, warum wir unseren Kaffee gefahrlos trinken können.

Sie sprechen oft von einer Grenze zwischen klassischer und quantenmechanischer Physik. Warum ist sie so irritierend?

Weil die Quantenphysik unser Verständnis von Realität infrage stellt. Sie beschreibt nicht, was ein Teilchen zwischen zwei Messungen «tut», sondern nur die Wahrscheinlichkeiten, es in einem bestimmten Zustand zu finden. Dieses probabilistische Weltbild widerspricht unserer Alltagserfahrung, in der Bewegungen klar und eindeutig erscheinen.

Sie erreichen mit Ihrer Arbeit ein breites Publikum. Was ist das Schwierigste an der Vermittlung der Quantenphysik?

Die grösste Herausforderung ist, korrekt zu bleiben, ohne das Publikum mit Mathematik zu überfordern. Für jeden Vortrag rechne ich die Formeln selbst noch einmal durch – manchmal mehrmals, bevor ich sie in meinen Vortrag einbaue. Gute Popularisierung setzt tiefes Verständnis voraus: Man darf vereinfachen, aber nichts erfinden.

Welche konkreten Anwendungen der Quantenphysik prägen unsere Industrie heute schon?

Der Laser und der Transistor sind zwei zentrale Beispiele. Der Laser beruht auf einer rein quantenmechanischen Eigenschaft von Lichtteilchen. Transistoren wiederum bilden die Grundlage der gesamten modernen Elektronik. Ohne sie gäbe es weder Computer noch Telekommunikation.

Man spricht oft von einer «Quantenrevolution», besonders im Zusammenhang mit Quantencomputern. Was sollte man an diesem Begriff relativieren?

Für Physiker fand die Quantenrevolution 1947 mit der Renormierung und den Feynman-Diagrammen statt. Für Ingenieure spricht man von einer Revolution, als es um 1960 dank der Technologie möglich wurde, einzelne Quantenzustände zu kontrollieren. Heute wird der Begriff in den Medien oft für Quantencomputer verwendet – meist recht ungenau.

«Die Quantenphysik stellt unser Verständnis der Realität infrage.» Was sind die grössten technischen Hürden für einen praktisch nutzbaren Quantencomputer?

Die grösste Herausforderung ist die Stabilität der Qubits. Quantensysteme reagieren extrem empfindlich auf ihre Umgebung. Schon kleinste Störungen führen zur sogenannten Dekohärenz: Der Quantenzustand zerfällt und verliert seine besonderen Eigenschaften.

Um das zu verhindern, brauchen heutige Systeme extreme Bedingungen, etwa Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt oder stark kontrollierte elektromagnetische Umgebungen. Solche Voraussetzungen machen industrielle Anwendungen in grossem Massstab auf absehbare Zeit sehr unwahrscheinlich.

Ist trotzdem ein plötzlicher Durchbruch möglich?

Die Wissenschaftsgeschichte zeigt, dass überraschende Umbrüche möglich sind. Ein grosser Fortschritt bei der Kontrolle der Dekohärenz oder bei der Architektur von Qubits könnte theoretisch alles verändern. Das hätte enorme Folgen, etwa für die IT-Sicherheit, da gewisse Quantenalgorithmen heutige Verschlüsselungsverfahren knacken könnten. Doch davon sind wir noch weit entfernt. Ein allgemein verfügbarer oder gar persönlicher Quantencomputer gehört derzeit eher in den Bereich der Spekulation als in den einer nahen technologischen Realität.

Wird die Quantenphysik in zwanzig Jahren unseren Alltag verändert haben?

Die eigentliche Frage ist, ob die Quantenphysik die endgültige Beschreibung der Realität ist. Mein Gefühl sagt: nein. Die Geschichte der Physik zeigt, dass jede Theorie, so stark sie auch ist, irgendwann abgelöst wird. Ich hoffe nur, dass ich noch erlebe, wie die nächste entsteht.