Klapos Telekolleg: Quantenphysik für Doofe

Während wir noch immer auf Städte im Weltraum warten und die Photonen unserer Nachttischlampe in Torpedos stecken wollen, hat sich in Sachen Zukunft tatsächlich mal was getan! Unbemerkt von der doofen Öffentlichkeit haben Wissenschaftler phantastische Fortschritte bei der praktischen Nutzung von Quanteneffekten gemacht. Das Endergebnis könnte schon in wenigen Jahren zumindest EINEN Aspekt von Star Trek alt aussehen lassen: Die ollen „Silizium-Computer“ von der Enterprise D werden wir wohl demnächst in die Tonne treten…

Ja, ja… Die seltsame Welt der Quantenmechanik. Für Physiker und Hobbykomiker ist sie inzwischen nicht mehr wegzudenken. – Besonders Kollege Sparkiller und mein Vater haben die humorige Seite des Phänomens entdeckt: Seitdem sie wissen, dass ich mich für diese wundersame Welt der Unbestimmtheit interessiere („Alles sehr, sehr interessant! – Vielleicht aber auch nicht.“), muss ich mir mindestens einmal die Woche eine lustige Verballhornung gefallen lassen. Denn gerade das Wort „Quanten“ lässt jeden Barkeeper zum Wortspielkönig mutieren…

„Quantenverschränkung? Ist das etwa, wenn ich meine Füße übereinander kreuze?“

Nein, Sparkiller, das traf es nicht so ganz. Dafür aber umso mehr das Witzzentrum von Jugendlichen, die sich bei dem Wort „Homogen“ nur unter Schmerzen NICHT ein homosexuelles Gen auf Freiersfüßen vorstellen können.

„Guck maaaaal! Ich habe meinen Quanten ganz viel Energie hinzugefügt! Tat auch fast gar nicht weeeeeh!“ – Dieses Bild ist wirklich der ALLERletzte Tribut an die alten Käsemauken-Gags, die mir stets entgegenschlagen, wenn ich die Zukunft der Menschheit mit dem breiten Pinsel skizziere. Und ich hoffe, die Schützenfestbesucher, die mich damals ausgelacht haben, lesen hier alle – ganz – ge-nau – zu!

Von der permanenten Niedermachung meines kleines Hobbys tief getroffen, will ich mit diesem kleinen Artikel ein wenig Aufklärungsarbeit leisten. Meiner tiefen Überzeugung nach (es handelt sich dabei allerdings um die selbe Art von Überzeugung, die auch Zeugen Jehovas und Selbstmordattentäter benutzen), liegt in dem unscheinbaren Atomquatsch in den nächsten Jahrzehnten der Schlüssel zu einer neuen Welt. Wenn nicht sogar zu recht vielen Welten, aber dazu später im Text noch unendlich viel mehr.

Nahezu unbemerkt von der Bevölkerung, die zu sehr mit den Baby-Bäuchen diverser Prominenter beschäftigt war, hat es in den letzten Jahren einige Durchbrüche gegeben.

Ja, leider, da müsst ihr durch. Ist wichtig. Ihr könnt in 2 Jahren dann wenigstens behaupten, es HIER zuerst gelesen zu haben. Eine Eidesstattliche Versicherung, von mir unterschrieben, wird dann sehr, sehr wertvoll sein, wenn der Medienhype um das Thema erst mal abgeht…

Aus Platzmangelgründen – auch im Kopf des geneigten Zulesers – will ich mich aber auf das Aller-Allernötigste beschränken. Die Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus der unlogisch erscheinenden Quantenmechanik ergeben, sind trotz meiner Selbstbeschränkung jedoch schier unbegrenzt: Als Erklärung von schwachsinnigen Phänomenen in mittelklassigen SF-Abenteuern haben sie sich ja schon heute einen festen Platz in unserem Herzen erobert. Besonders interessant ist jedoch die Entwicklung eines sagenhaft schnellen Quantencomputers, die bereits im volle Gange ist und wahrscheinlich noch zu unseren Lebzeiten reife Früchte tragen wird! Auch wenn G.G. Hoffmanns (unser ehemaliger Chefredakteur) Hodensack dann vermutlich bereits die Form einer vertrockneten Feige angenommen hat…

Demnächst auch auf IHRER Briefmarke: Dieser Quantenchip der Universität Michigan kann immerhin schon mal EIN Atömchen dauerhaft inhaftieren und mit elektrischen Signalen foltern. – Was wohl erklärt, warum die Amerikaner besonders motiviert sind, was die Quantencomputerei angeht.

Ganz zu schweigen von den Auswirkungen auf Religion, Philosophie, eventuell Astrophysik und vielleicht sogar der Medizin. Ich warte praktisch jedes Jahr nur darauf, dass ein Durchbruch gelingt, der zukünftig MEHR als nur 0,5% der Bevölkerung interessiert (Nein, Sparki. Das sind nicht die Schuhladenbesitzer!). Vor allem freue ich mich schon diebisch darauf, wie dann alle auf den Quantenzug aufspringen werden und zuletzt auch Frauenzeitschriften ihren Leserinnen erklären MÜSSEN, warum ihr neuer Computer plötzlich 70.182 mal so schnell ist wie ihr alter. Mein Titelbildvorschlag:

„50 Quanten runter in 30 Tagen – Die neue Unwahrscheinlichkeits-Diät“

Dazu ein gemaltes Atom, das um den Kopf von Iris Berben kreist.

Bereits im Februar 2007 hieß es auf der Seite Quantencomputer.de, dass dies hier geschehen ist:

„Die kanadische Frima D-Wave Systems hat den ersten kommerziellen Quantenprozessor der Welt öffentlich vorgestellt. Der Rechner verfügt über 16 Qubits und hat eine Betriebstemparatur von nur 0,005 Kelvin (fast Null-Punkt!). Das System soll ab 2008 kommerziell vertrieben werden. Gleichzeitig arbeitet man an einem Prototypen mit bis zu 1000 Qubits.“

Auf Wikipedia weiß man sogar noch mehr:

“Bei der Vorstellung wurde ein Sudoku-Rätsel gelöst und ein Terminplan erstellt. Eine 512-Qubit Version soll in einem Jahr vorliegen. Das Gerät mit dem Namen Orion war bei der Vorstellung über einen vernetzten Monitor erreichbar, also selbst nicht anwesend.“

Und für Informatiker und Leute, die ihren lokalen Mediamarkt (bitte danach dokumentarisches Filmmaterial an uns!) schon mit einer Vorbestellung nerven wollen: Hier ist ein Link mit ausführlichen Infos

Case-Modder müssen bald in ganz neuen Maßstäben denken. Oder zumindest in STÄBEN. – Demnächst könnte nämlich DIESER Computer auch auf Eurem Schreibtisch stehen! Dieses Schmuckstück der Firma D-Wave Systems macht’s möglich… Wahrscheinlichste Fehlermeldung im Jahr 2012: „Es wurde Kolbenfresser festgestellt“. – Ein Quantenchip mit 1000 gekoppelten Qubits ist übrigens für 2008 in Arbeit und wird dann bereits eine Konkurrenz für heutige Supercomputer darstellen.

Wer schon einiges über dieses Thema weiß, wird sich anhand meiner nachfolgenden Erklärung vermutlich epileptisch schütteln, bis der Quantenschaum vom Kinn tropft. Denn ein bisschen Vereinfachung gönne ich mir dann doch mal…

Da ich trotz gutmeinender Beiträge in „Quarks & Co“, „P.M.“, „SPIEGEL“, ect., ect., mindestens 10 Jahre lange NICHT kapiert habe, von was für „Zuständen“ die da eigentlich reden, habe ich lange Zeit einfach nur selbige gekriegt. – Erst das Buch einer schönen Frau konnte mir es dann so erklären, wie ich’s mal wieder richtig brauchte. Sie wollte es wohl auch…

Das einfache Doppelspalt-Experiment erläuterte es dabei am deutlichsten:

Bevor ihr mit einem Teppichmesser auf Omas Kamelhaardecke zustürmt, lasst euch gesagt sein, dass das Nachbauen des Experiments doch ein wenig Geschick erfordert. Gerade die Herstellung von geeigneten Photonen ist äußerst zeitaufwendig und anspruchsv… (*Leselampe angeknipst bekomm*) – Oh. Ööh?!

Theoretisch könnte man das sogar daheim nachbauen: Man jage Licht auf eine Wand, in der zwei Schlitze geschnitten sind. Diese liegen sehr, sehr nah beieinander. Dahinter ist eine zweite Wand. – Bis hier hin ist dies also noch Physik für Bastelbuchautoren und Kindergärtnerinnen.

Auf dem Bild sieht man (wenn auch nur im Ergebnis), wie die beiden durchdringenden Lichtstrahlen miteinander wechselwirken. Quasi wie zwei Wasserwellen, die aufeinandertreffen und dann neue, kleine Wellen bilden.

Dadurch entstehen jedoch nicht zwei Lichtstreifen, sondern ganz viele, wie auf der Grafik zu sehen. Das ist alles noch normal und noch kein Grund zur Besorgnis. Eine Explosion des Kinderzimmers ist nicht erwarten. – Bereits im Jahre 1803 hat ein kluger Mann namens Thomas Young dieses Experiment durchgeführt, da ihn die Frage nicht losließ, ob das Licht denn nun eine Welle oder ein Teilchen ist. Als er sein Ergebnis bekannt gab, freuten sich alle seine Kollegen in London darüber so sehr, dass sie sehr lang und ausgiebig lachten. Als Young dann auch noch die errechnete Wellenlänge des Lichtes enthüllte (z.B. 0,7 Mikrometer für Rot), müssen die ersten Zwerchfelle dann in ähnlichen Farben geborsten sein…

Wahrscheinlichkeitsverteilung: Je größer der Ausschlag, umso wahrscheinlicher ist dort ein intimes Zusammentreffen. Bei Aknepatienten ist es übrigens exakt umgekehrt…

Auf dieser Grafik sieht man’s noch mal etwas genauer: Man kann sich die roten Erhebungen als nebeneinander liegende Striche auf der hinteren Wand umrechnen. Die weniger hohen sind halt dann nur noch schwach zu sehen. Man kann das Bild natürlich noch verändern, indem man den Abstand zwischen den beiden Schlitzen variiert, den Durchmesser erweitert oder sogar MEHR als zwei Schlitze verwendet. Letzteres gehört sich jedoch nicht für einen Versuch, der als „Doppelspaltexperiment“ bekannt wurde („Spalter“ und „Mehrfachpenetrierer“ wären wohl noch die harmlosesten Bezeichnungen)…

Das eigentlich Interessante ist aber: Sobald man mit einer technischen Vorrichtung (egal welche) zu messen versucht, welche/wie viele Photonen durch WELCHEN Schlitz geflogen sind, löst sich die Wellenformation auf und es sind nur noch ZWEI Lichtstreifen statt ganz vielen zu sehen. Aus den Wellen sind also plötzlich Teilchen geworden, wie kleine abgeschossene Pistolenkugeln, die wie blöde geradeaus fliegen… Jetzt könnte man als absoluter Laie natürlich sagen, dass das Messgerät die Lichtwellen beeinflusst hat. – Hat es natürlich auch! Aaaaaber nicht dadurch, dass es an den Wellen rumgegrabbelt hätte. Nein: Allein die Existenz eines Mess-Dingsdas genügt vollkommen, um aus Wellen Teilchen zu zaubern. Sogar rückwirkend in der Zeit! Ja, ihr Quantenverächter, da haltet ihr zurecht die Füße still! Aber jetzt kommt’s sogar NOCH knüppeldicker!

Wichtig: Photonen “wollen” einfach nicht auf ihrem Weg beobachtet werden! ja, sie weigern sich mit kindischer Quengeligkeit, ihren komplexen Wellenweg zu offenbaren. So verwandeln sie sich munter in geradeaus fliegende Knallerbsen, sobald sie “merken”, dass Mensch oder Apparat ganz frech ihren Weg enthüllen will.

Tatsache: Die Welt (zumindest die der Quantenmechanik), wie wir sie wahrnehmen, entsteht erst durch die Auswertung von Informationen. Computer-Freaks wissen das schon lange und machen daher nix anderes mehr…

Ein wichtiges Schlagwort ist die WAHRSCHEINLICHKEIT: Ein registriertes Photon auf der anderen Seite ist nicht nur theoretisch mit der Wahrscheinlichkeit von 50:50 durch einen der beiden Schlitze geflogen, sondern auch praktisch: EIN Photon ist durch beide Schlitze gleichzeitig geflutscht, wenn es nicht gerade auf den Steg in der Mitte gedonnert ist. Beide Möglichkeiten sind gleichzeitig Wirklichkeit geworden. Adam Riese, der jetzt an seinen Fingern abzählen würde, dass EIN Teilchen genau EINES zu wenig ist, um zwei Wege zu nehmen, hat in dieser Hinsicht nix zu melden. Solche albernen Kinkerlitzchen interessieren Quantenphysiker nicht mal einen feuchten Pups, es sei denn, er ist durch zwei Darmöffnungen gleichzeitig gerauscht…

Doppelspalt für Schlitzohren: So oder so ähnlich muss das Bild auf eurem heimischen Luxusklasse-Detektor entstehen, wenn ihr alles richtig gemacht habt. – Wer will bei solchen Aussichten noch Geld für sinnlose Plasmafernseher zum Fenster hinauswerfen, wenn nicht sogar durch ZWEI gleichzeitig?

Das alles kann man sogar vorzüglich messen: Denn selbst, wenn stets nur EIN Photon in der Sekunde ausgesandt wird (ist technisch ja möglich), und man die Treffer auf der letzten Wand über Stunden aufzeichnet, gibt es ein Wellenmuster mit zig hellen Linien. Das ist nach unserer Alltagslogik eigentlich völlig unmöglich, denn egal, ob Welle oder Teilchen: Wenn sich nicht mehrere Photonen gegenseitig anrempeln können, haben sie bei der Landung gefälligst auf den Strich zu gehen, und zwar ausschließlich auf den zweifachen!

– Gemessen wird am Ende übrigens nur EIN Photon. Nämlich das, welches ausgesandt wurde. Jenes, mit dem es unterwegs zusammengestoßen sein muss, ist dann wieder in der – Achtung! Unwissenschaftlichkeitsalarm! – Paralleldimension verschwunden, aus der es (nicht) gekommen ist.

Könnten wir wellenförmige Photonen mit eigenen Augen während des Fluges sehen, würde es sogar genügen, wenn wir einfach DRAUFGUCKEN, während sie unterwegs sind. Flux würde es sich in Teilchen verwandeln. Wer eine konkrete Vorstellung dieses Irrsinns bekommen möchte, kann ja mal über mehrere Stunden die Kühlschranktür auf- und zumachen, um zu sehen, ob das Licht ausgeht, wenn die Klappe dicht ist. – Aber von AUßEN!

Auch bei diesem Experiment bringt die Installation einer Messvorrichtung dazwischen natürlich rein gar nichts, denn schon sagen sich die Photonen: “Guck weg, wenn ich zaubern tu!“ und es bilden sich wieder nur ZWEI helle Streifen. Die Bremsspuren der Magie…

Doch praxisorientierte Forscher sind ja nicht blöd, solange die Zigarettenindustrie sie nicht dafür bezahlt. Also sagten sie so bei sich: “HAHA! Auch Moleküle schwingen ja ein bisschen!”, und änderten den Versuchsaufbau. So wurden statt Photonen einfach dicke, fette Moleküle (Fullerene) durch die geschlitzte Platte gejagt. Und tatsächlich: Ständiges Wellenmuster, quasi eine Dauerwelle. – Als ganz neuen Trick haben sie nun die unterschiedlichen Eigenschaften der Fullerene (Vibration) vor dem Abflug aufgezeichnet, um nachzuvollziehen, wie sie das Wellenmuster bilden. – Aber solche Tricks durchschaut ein Molekül, das bei der Urknall-Abschlussprüfung nicht durchgefallen ist, natürlich sofort. Sobald die Dinger markiert waren, wurde aus der Welle wieder Teilchen. Es sei denn, man markiert sie, lässt den Computer die Daten aber nicht auswerten(!).

„Wenn die Quantentheorie auch im Makrokosmos funktionieren würde, stellt sich ja die Frage: Wenn ich einen Stein werfe und dann schnell wegschaue, ist er vielleicht als Welle zum Ziel geflogen?“ – Sehr guter Einwand, der Herr! Allerdings gibt es in unserer makroskopischen Welt kaum etwas, was nicht sofort durch Personen oder andere interagierende Objekte „gemessen“ wird: So wäre in diesem Fall ein Polizist ein Beobachter, der das Geschoss allein durchs Zusehen sofort aus dem Wellenflug herausholen würde. Spätestens, wenn er den Stein auf den Kopf bekommt. Dieser – da wird der Cop(p) nicht widersprechen – war dann ganz klar ein Teil(chen).

Nun gibt es noch Theorien, dass man das auch mit riesigen Objekten machen könnte. Meine Idee wäre ja, jede Menge Autos durch zwei Schlitze zur Schrottpresse zu werfen. Aber die natürliche Schwingung eines Kleinwagens ist dafür wohl leider nicht groß genug… Aber Ihr könnt es ja mal probieren: Ohne irgendwelche Messungen, also quasi mit verschossenen Augen und Ohren, durch eine von zwei Türen zu gehen (Aua!) oder irgendwelche Schlitze mit eindringenden Objekten zu traktieren (Doppel-Aua!). Vielleicht spaltet sich dann irgendwo ein Parallel-Zuleser von DIR ab, der gerne mit Dir wechselgewirkt hätte, um eine Welle zu bilden…?

Wie? Homophobie stellt sich ein? Gut, dann hören wir gleich auf…

Nun, bedeutet das etwa, dass in der Quantenwelt eine Quasi-Intelligenz herrscht? Allwissende Atome und Lichtwellen/teilchen, die immer gucken, ob einer guckt? Oder dass Gott sich etwa nicht in seine Karten schauen lassen will? Dass er gar ein minderwertiges Lari-Fari-Universum geschaffen hat, das nur dann greifbar wird, wenn der Steuerprüfer mit der Lupe vorbeikommt? Wird etwa nicht nur der Zustand von Licht und Atomen durch Beobachtung festgelegt/verändert, sondern auch der von viel größeren Objekten?

Wie es sich für ein einfaches Thema wie dem der Quantenphysik gehört, gibt es im Internet eine Fülle an Bildmaterial, die die Prinzipien visuell einleuchtend zusammenfassen. Hier ist eins davon. Bitte diese Darstellung bis Morgen penibel studieren! Ich frage Euch dann ab, wo die Schleife vom Dings… in den… rosa Nebel… gedingst ist. – Und wehe, einer spickt!

Das alles zu unterstellen geht sicherlich viel zu weit und wird daher von allen Publikationen peinlichst vermieden, selbst von den dööfsten. Das Schweigen über diese – für Laien sehr nachvollziehbaren – Fragen ist jedoch so ohrenbetäubend, dass dieser Thematik mindestens ein Absatz mit vielen Fragezeichen gewidmet sein sollte. Was hiermit geschehen ist.

Viel Spaß beim Wachbleiben heute Nacht…