Warum fällt es uns so schwer, die Quantenphysik zu verstehen? Was macht künstliche Diamanten so wertvoll für die Kommunikation der Zukunft? Wie sieht ein Quantenlabor von innen aus? Beim „AcademyDay“ der Uni Ulm informierten sich Oberstufenschülerinnen und -schüler aus Ulmer Gymnasien und dem Umland über die Quantenforschung der Universität. Die Veranstaltung gehört zur Ulmer Quantenwoche und ist Teil des Quantenfestivals “quant.ulm.2025” der Stadt Ulm.
Ins Stadthaus gekommen waren ganze Physikkurse, insgesamt rund 120 Schülerinnen und Schüler samt Fachlehrerinnen und Fachlehrern. Professor Alexander Kubanek begrüßte die Gäste und erklärte der jungen Zuhörerschaft, warum Quantenphysik einerseits als Zukunftstechnologie so vielversprechend ist; und warum sie andererseits so schwer zu verstehen ist. Der Physiker, der am Institut für Quantenoptik eine Arbeitsgruppe für Hybride Quantensysteme leitet, meinte dazu: „Quantenphänomene können im Alltag nicht beobachtet werden. Das ist etwas, das sich – anders als die klassische Physik – komplett unserer Wahrnehmung und Vorstellungskraft entzieht.“
Der Mensch könne sich schwer vorstellen, dass ein Quantenteilchen zur gleichen Zeit an unterschiedlichen Orten und dann noch in verschiedene Richtungen unterwegs sein kann. Ebenso unglaublich ist das Phänomen der Verschränkung, wenn unterschiedliche Teilchen über riesige Entfernungen hinweg im gleichen Zustand – und darüber miteinander verbunden sind. „Und doch geht Sie die Quantenphysik etwas an. Denn Sie werden betroffen sein von den Zukunftstechnologien, die auf Quantenmechanik basieren: von der Quantenkommunikation, der Quantensensorik und dem Quanten Computing“, sagte Kubanek. Zur Orientierung in der gleichermaßen verheißungsvollen wie unübersichtlichen Welt der Physik gab Dr. Michael Gaida vom Institut für Komplexe Quantensysteme den jungen Zuhörerinnen und Zuhörern einen praktischen wissenschaftlichen Wink: „Klassische Physik gilt immer im Großen – also beispielsweise, wenn es um makroskopische Objekte oder Körper geht. Die Gesetze der Quantenmechanik dagegen gelten in der Welt der Atome und subatomaren Teilchen wie Elektronen oder Photonen.“ Das kann man sich merken.
Faszinierende Effekte und fantastische Phänomene aus der Quantenwelt
Beim anschließenden Quantenzirkel lernten die Schülerinnen und Schüler an fünf Stationen im Stadthaus unterschiedliche Themen und Phänomene kennen. Dabei ging es beispielsweise um quantenmechanische Verschränkungseffekte, die spielerisch anhand eines speziell entwickelten Kartenspiels (SuperPosition) auf Uno-Basis veranschaulicht wurden. Bei der Station nebenan wurde die sogenannte Komplementarität erklärt, die es unmöglich macht, bei Quantenteilchen gleichzeitig Ort und Impuls zu bestimmen. Denn wenn man das eine misst, verändert sich durch die Messung das andere. Der deutsche Physiker Heisenberg lässt hier grüßen mit seiner Unschärferelation. Gezeigt wurde außerdem anhand von Farbzentren in künstlichen Diamanten, wie sich Verschränkungseffekte in Quantensystemen nutzen lassen, um diese für die Quantenkommunikation zu nutzen. Vorgestellt wurden im Stadthaus daneben Phänomene wie die magnetische Levitation oder der „Quantenradierer“. Im Untergeschoß, wo zahlreiche Exponate aus dem „Q-Bus“ des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt aufgebaut waren, konnte man sich außerdem über faszinierende optische Effekte informieren, wie sie durch die Polarisierung von Licht entstehen. Oder man konnte an einem handgearbeiteten Holz-Modell einer Paul-Falle begreifen lernen, wie sich geladene Teilchen mit elektrischen Feldern einfangen lassen.
Wer davon nicht genug hatte, konnte im Anschluss noch eine Laborführung an der Uni machen und sich mit eigenen Augen davon überzeugen, wie an der Universität Ulm quantenwissenschaftlich geforscht wird. Über dreißig Schülerinnen und Schüler machten sich dafür mit der Straßenbahn auf den Weg zum Oberen Eselsberg. Dort konnten in kleinen Gruppen, verteilt über mehrere Labore und Physik-Institute, unterschiedliche experimentelle Aufbauten bestaunt werden; beispielsweise für Laser-optische Experimente, die unter kryogenen Bedingungen stattfinden – also bei extrem niedrigen Temperaturen von rund Minus 270 Grad Kelvin. Und wer danach die Ohren und Augen noch immer nicht voll hatte, konnte sich bei den anschließenden Vorträgen im Stadthaus von den Ulmer Physik-Professoren Joachim Ankerhold („Quanten? Was ist das denn?“) und Martin Plenio („Quanten-Technologien für die Medizin“) noch einmal darlegen lassen, was das eigentlich alles ist, soll und bringt.
Weitere Informationen:
Susan Czogalla, Fakultät für Naturwissenschaften, E-Mail: susan.czogalla(at)uni-ulm.de
Text und Fotos: Andrea Weber-Tuckermann