Weltweit wird auf dem Feld der Quantenmechanik geforscht, vor allem die Grundlagenforschung zum vielversprechenden Thema Quantencomputer, mit dem man hofft, die Rechenleistung künftiger Computer zu vervielfachen, beschäftigt dabei die Wissenschaftler. So auch an der Augsburger Universität, wo man sich besonders auf ein Teilgebiet spezialisiert hat. Dort ist bereits Anfang der 1990er Jahre das Zentrum für Elektronische Korrelationen und Magnetismus (EKM) ins Leben gerufen worden. Seit seiner Gründung hat es sich Stück für Stück zu einer der führenden Forschungsstandorte auf diesem Gebiet entwickelt. Das haben internationale Experten des Beirats des EKM dem Zentrum vor kurzem erst wieder attestiert.

Die Arbeit des EKM konzentriert sich auf die Erforschung von Systemen mit vielen quantenmechanischen Teilchen, die sich in ihrem Verhalten gegenseitig stark beeinflussen. In der Physik spricht man dabei von Korrelationen. Das gesamte System erhalte dadurch neuartige Eigenschaften, da die Teilchen in ihm gemeinsam und kollektiv agieren. „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“, erläutert Markus Heyl, Professor für theoretische Physik und Mitglied des EKM. Diese Eigenschaft lasse sich unter anderem dafür nutzen, Materialien für innovative Anwendungen herzustellen, zum Beispiel um neuartige Sensoren oder Quanteninformationstechnologien zu entwickeln.

Ein Beispiel für eine spezielle Art von quantenmechanischen Korrelationen ist die sogenannte Quantenverschränkung. Dieses Phänomen kann an einem praktischen Beispiel erläutert werden. Angenommen, zwei Spieler würfeln gleichzeitig mit einem Würfelbecher, der jeweils einen Würfel enthält. Spieler A schaut nach und sieht, dass er eine Sechs gewürfelt hat. Auf das Ergebnis von Spieler B hat das keinen Einfluss: Es lässt sich nicht vorhersagen, welche Augenzahl sein Würfel zeigen wird, wenn er seinen Becher lupft. In der Quantenwelt der kleinsten Teilchen ist das jedoch anders: Dort kann es sein, dass beide Würfel verschränkt sind. Sobald Spieler A sein eigenes Ergebnis kennt, weiß er damit auch, wie der Würfel von Spieler B gefallen ist. In der realen Quantenwelt treten an die Stelle von Würfeln Objekte wie zum Beispiel Elektronen. Statt einer Augenzahl können diese eine Drehrichtung, genannt Spin, als Eigenschaft haben und sich darin unterscheiden. Sind zwei Elektronen nun verschränkt, so wie es die beiden Würfel im Gedankenexperiment sind, dann lässt sich immer von der Eigenschaft des einen Elektrons auf die des anderen schließen. Besonders interessant ist dabei, dass sich eine Änderung des Zustands eines Elektrons ohne zeitliche Verzögerung auf das verschränkte Teilchen auswirkt. Ein Phänomen, das Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung” beschrieb und das Forscher zukünftig unter anderem für die Verarbeitung und Übertragung von Informationen nutzen wollen. „Korrelationen eröffnen ein ganzes Universum von innovativen Materialien, das bei Weitem noch nicht ausgeschöpft ist“, erklärt Professor Heyl dazu.

Ein konkretes Beispiel sind stark korrelierte Materialien, mit denen Quanteninformationen gespeichert werden können. Diese Quanteninformationen sind empfindlich und lassen sich durch äußere Einflüsse leicht zerstören, weshalb es sehr schwierig ist, diese lange zu speichern. Korrelierte Teilchensysteme könnten hier zum Einsatz kommen, denn bei ihnen werden Informationen gewissermaßen „verteilt“ abgespeichert. Durch ihre Korrelationen kontrollieren sie sich gegenseitig und verhindern so, dass Informationen verloren gehen. „Die Quanteninformationsverarbeitung ist aber nur ein Bereich, für den die von uns untersuchten Systeme relevant sind“, betont Heyl. Die Ergebnisse der in Augsburg betriebenen Grundlagenforschung sind laut Heyl prinzipiell für sehr viele Fragestellungen von großer Bedeutung, außerdem habe sich das EKM auf seinem Gebiet eine „herausgehobene Stellung” erarbeitet. (pm/mjt)