Schwerkraft trifft Lichtquanten

Quantenphysik: Ein noch nie dagewesenes Experiment

14. November 2022 von Hanna Möller
Spitzenforscher*innen um Philip Walther und Piotr Chruściel von der Uni Wien möchten das, was bisher noch niemandem gelang: den Einfluss der Schwerkraft auf Lichtquanten experimentell untersuchen. Die internationale Forschungstruppe erhielt für ihr Vorhaben eine der höchsten Förderungen, die der Europäische Forschungsrat vergibt.
So in etwa wird das Hochpräzisionsexperiment in gekrümmter Raumzeit aussehen, das Aufschluss darüber gibt, wie Gravitation und Quantenwelt zusammenspielen. © Walther-Gruppe, Universität Wien

Wenn es um die Gesetze des Universums geht, hat die Physik gleich zwei Haupttheorien parat: die Quantenfeldtheorie und die allgemeine Relativitätstheorie. Seit Jahren versuchen Wissenschafter*innen zu verstehen, wie diese Theorien zusammenwirken – um damit die Mechanismen unserer Welt zu ergründen und den Grundstein für neue Technologien zu legen. Doch nach wie vor gibt es keine Experimente, die das Zusammenspiel zwischen den Theorien tatsächlich testen.

Große Auszeichnung für großes Vorhaben

Der Quantenphysiker Philip Walther von der Universität Wien und sein international besetztes Team – mit an Bord sind neben der Universität Wien die Universität München und das Massachusetts Institute of Technology (MIT) – möchten diese Forschungslücke mit ihrem Projekt GRAVITES schließen. Dabei baut die engagierte Wissenschaftstruppe erstmals ein hochempfindliches Quantenexperiment auf, das Aufschluss über den Einfluss der Schwerkraft auf Lichtquanten geben soll. Für dieses revolutionäre Vorhaben erhielten die Quantenforscher*innen den prestigeträchtigen ERC Synergy Grant in Höhe von insgesamt fast neun Millionen Euro.

"Dieser Grant bedeutet mir persönlich sehr viel. In den letzten Jahren ist dafür harte Vorarbeit mithilfe herausragender Mitarbeiter*innen – von Masterstudierenden bis PostDocs – geleistet worden", freut sich Projektleiter Philip Walther: "Ich bin sehr dankbar über 'mein' GRAVITES-Team und sehe diesen ERC nun als Bestätigung dafür, dass wir die richtige Entscheidung getroffen haben, dieses schwierige Experiment wagen zu wollen."

Auf Wissen stützen:

Im ERC-Projekt GRAVITES können die Ergebnisse der interfakultären Forschungsplattform TURIS (Universität Wien) verwendet werden. TURIS entwickelt seit sechs Jahren neue Ideen zu den großen Fragen der Schnittstellen zwischen Quantenphysik und Gravitation und wurde nun mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zu einem Forschungsverbund erweitert.
Mehr zu TURIS

Präzisionsarbeit mit "Feingefühl"

Da Photonen nur sehr schwach mit der Schwerkraft wechselwirken, steht das Projektteam vor der Herausforderung, ein extrem präzises faseroptisches Interferometer zu bauen. Verschränkte Photonen werden hier bei der Ausbreitung durch 40 km lange Glasfasern verschiedenen Gravitationseinflüssen ausgesetzt. Um den Einfluss der Gravitation auf die verschränkten Photonenpaare messen zu können, muss das Experiment Längenschwankungen erheben, die etwa 100-mal kleiner sind als der Radius eines Atoms. 

Was ist eigentlich ein Interferometer?

Ein Interferometer ist ein Gerät, in dem sich Licht entlang unterschiedlicher Wege ausbreiten kann. Diese werden kombiniert, um Licht-Interferenzen (die z.B. durch abwechselnde Hell-Dunkel-Intensitäten sichtbar gemacht werden) beobachten zu können. In GRAVITES kommen optische Fasern (Wellenleiter) von 40 Kilometern Länge zum Einsatz, um für das Licht einen möglichst langen Weg zu ermöglichen. Platz sparen ist angesagt: Damit der experimentelle Aufbau kompakter wird und noch ins Labor passt, werden die Fasern auf einer Spule aufgewickelt.

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"Man muss seiner Intuition und seinen Spinnereien ein bisschen vertrauen", sagt Anton Zeilinger. Dass er damit Recht behalten sollte, beweist neben zahlreichen prestigeträchtigen Auszeichnungen und Forschungserfolgen nun der Nobelpreis für Physik, der ihm am 10. Dezember in Stockholm feierlich verliehen wird. Sowohl die "Nobel Prize award ceremony" als auch die "Nobel Prize lecture", die Anton Zeilinger am 8. Dezember hält, werden via Stream übertragen, und auf unseren Social Media-Kanälen können Sie Live-Berichte aus Stockholm mitverfolgen.

Mit geballtem Wissen

Eine Erfolg versprechende Mischung: Damit der Versuch gelingt, stecken bei GRAVITES zwei experimentelle und zwei theoretische Forschungsgruppen die Köpfe zusammen. Das Experiment selbst wird von der Physikerin Nergis Mavalvala (MIT), die wesentlich am Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)-Projekt beteiligt ist, und von Philip Walther (Universität Wien), GRAVITES-Projektleiter und Experte für Quantenkontrolle verschränkter Photonen, aufgebaut. Das Vorhaben wird von renommierten Forscher*innen auf dem Gebiet der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenfeldtheorie unterstützt, allen voran durch Piotr Chruściel von der Universität Wien und Gia Dvali von der LMU München.

Mit dem Projekt GRAVITES können wir wissenschaftliches Neuland betreten und der fundamentalen Frage nachgehen, wie die Schwerkraft mit der Quantenphysik wechselwirkt.
Philip Walther

Prämiere

Innerhalb der nächsten sechs Jahre will das GRAVITES-Team eine Schlüsselfrage des Fachbereichs beantworten: ob verschränkte Quantenzustände die Vorhersagen der relativistischen Quantenfeldtheorie in einer gekrümmten Raumzeit erfüllen. "Dieser ERC Synergy Grant wird es uns ermöglichen, zum ersten Mal zu beobachten, wie verschränkte Zustände gravitieren", so Philip Walther. Das hat nicht nur eine enorme Bedeutung für die Grundlagenforschung, die in GRAVITES entwickelte Technologie hat ebenso Potenzial, die Quantenkryptographie, die Quantenmetrologie oder die Frequenzübertragung einen großen Schritt voranzubringen.

Eine Win-Win-Situation

Das Experiment kann nicht nicht funktionieren. Warum, erklärt Projektmitarbeiter Piotr Chruściel: "Ich finde es faszinierend, dass – falls sich die erwartete Theorie nicht bestätigt – wir uns mit dem auseinandersetzen müssen, was einige Kolleg*innen als 'neue Physik' bezeichnen. Sollten wir jedoch keine Diskrepanzen finden, wird unser Experiment das erste sein, das die Theorie in diesem Regime testet, und somit einen dauerhaften Beitrag zu unserem Verständnis leisten, wie die Schwerkraft mit der Quantenmechanik wechselwirkt – eine Win-Win-Situation also."

Die meisten meiner bisherigen Forschungsarbeiten befassten sich mit mathematischen Aspekten der allgemeinen Relativitätstheorie, und ich bin sicher, dass viele Kolleg*innen mich für einen Mathematiker hielten. Ich freue mich sehr, dass ich ihnen das Gegenteil beweisen kann, indem ich als Physiker und nicht als Mathematiker zu diesem Experiment beitrage.
Piotr Chruściel

Neue Wege, neue Anwendungen

In der Quantenphysik ist es übrigens üblich, eigene Technologien zu entwickeln und neue Wege zu beschreiten: "Wir untersuchen Phänomene, die es in der kleinen Welt der Quanten gibt, also Eigenschaften, die sich anders verhalten als in unserer klassischen Welt", erzählt Philip Walther: "Dann versuchen wir, diese Eigenschaften für neue Anwendungen zu nutzen und sie zum Beispiel für eine bessere Kommunikation, bessere Computer und andere Dinge, an die die Menschen bisher noch nicht gedacht haben, einzusetzen. Ich bin davon überzeugt, dass unsere Grundlagenforschung in den kommenden zehn bis 20 Jahren viele Veränderungen herbeiführen wird", so die Einschätzung des charismatischen GRAVITES-Projektleiters. Wir dürfen gespannt sein. (hm)

© Barbara Mair
© Barbara Mair
Philip Walther promovierte 2005 in Physik an der Universität Wien. Nach einem dreijährigen Postdoc-Aufenthalt an der Harvard University kehrte er 2008 an die Universität Wien zurück, wo er seit 2015 als Professor für Physik tätig ist.

Seine Forschung widmet sich der Entwicklung fortschrittlicher Quantentechnologie für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und für fundamentale Untersuchungen in der Quantenwissenschaft. Walther ist derzeitiger Sprecher der Quantengruppe an der Fakultät für Physik und des interinstitutionellen Forschungsverbundes für "Quantum Aspects of Space Time (TURIS)".

© Barbara Mair
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Piotr Chruściel promovierte 1986 an der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau. Im Jahr 2012 verließ er eine Stelle an der Universität Oxford, um die Gruppe für Gravitationsphysik an der Universität Wien zu leiten, wo er in den letzten zwei Jahren auch als Vizedekan der Fakultät für Physik fungierte.

Während sich seine Forschung hauptsächlich auf mathematische Aspekte der allgemeinen Relativitätstheorie konzentrierte, veranlassten ihn die Herausforderungen zur Frage der Wechselwirkung der Einsteinschen Gravitation mit der Quantenmechanik, seine Forschungspalette in diese Richtung zu erweitern. Mit Piotr Chruściel hat das ERC-Projekt GRAVITES einen Spitzenforscher in Dingen Gravitationsphysik mit an Bord.