Serge Haroche

Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary

Category: Lectures

Date: 1 July 2013

Duration: 31 min

Quality: HD MD SD

Subtitles: EN DE

Serge  Haroche (2013) - Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary

The founders of quantum theory assumed in “thought experiments” that they were manipulating isolated quantum systems, obeying the counterintuitive laws which they had just discovered. Technological advances have recently turned these virtual experiments into real ones by making possible the actual control of isolated quantum particles

So it's a pleasure to be here and to talk after my friend Dave Wineland. As you know I am a physicist too, so nobody is perfect. It's the session which is devoted to chemistry but I think we were invited because we are the latest Nobel prizes in physics. And so I found it was appropriate to give to this talk the title I gave to my Nobel lecture. And I would like to symbolise these experiments with this picture, showing 2 hands juggling with balls between mirrors. In fact, the balls we are talking about here are photons, particles of light. And we try to keep them bouncing as long as possible between the mirrors, and to manipulate this light field and to prepare this state, these photons, into non-classical quantum states of the same kind as the ones which were discussed by Dave in his talk with atoms. But in half an hour it's very difficult to give you in detail...describe in detail the experiments we are performing. And I will try instead to relay this kind of physics more generally to quantum physics at large. And to try to tell you what this kind of physics, working with microscopic system, can lead to. And what kind of information it can give us which we don't have from the knowledge of quantum physics, which has accumulated over almost a century. I'd like to talk about the power and the strangeness of quantum physics to oppose these 2 notions. Of course we know that quantum theory is very powerful. It has opened to us a microscopic world of particles, of atoms and photons. And from this knowledge it has given us the keys of modern technologies. Dave has talked about the future of quantum computer but even a classical computer is based on quantum laws through the properties and the characteristics of transistors. So this is the power of the quantum. But at the same time it is a theory whose logic challenges our classical intuition about the microscopic world. There are strange effects like this superposition principle, and these effects occur at the particle level. But when you look at large systems which are made of a huge number of particles, this quantum-ness is veiled at the macroscopic level and we have to understand why. As Dave said, recent experiments which we can now carry on with single particles make us believe that one day we'll be able to harness the strangeness of quantum physics for real applications in the field of communication, computing or measurement. So I would like to recall these features very briefly. On this picture you see something which is of use to all of us. Quantum physics is important to understand the structure of atoms and nuclei, very simple systems. It's also essential for chemistry, to understand how atoms bind into molecules. It is also important to understand the global properties of solids. You see here a picture of a small superconducting piece of material levitating through the Meissner effect which is a quantum effect above another piece of metal. And also at the other end of the scale, if you look at the universe as a whole, cosmologists tell us that in the early universe you had quantum fluctuations which were amplified by the phenomenon of inflation and gave rise to all the structure of the galaxies and the structures that we see today. And the kind of picture you see on the right side of this slide which shows the tiny fluctuations of the blackbody radiation background, revealing these early cosmological effects. And so you see that quantum physics is in fact very, very interesting. And if you look at the size of the strings which are supposed to be elementary to the size of the universe, we have more than 60 orders of magnitude. And you need quantum physics to understand what happens at the 60 orders of magnitude in size. And you have also 60 orders of magnitude or something like that in terms of energies. So this of course is fundamental physics but it has also lead to applications: computers are made of transistors which you could not build without understanding quantum physics; lasers would have been impossible if one had not understood the basic interactions of atoms with photons. So this is also something which comes from the knowledge of basic physics. Looking at computers, I think it's interesting to look at the orders of magnitude. You see on this picture a very old computer, an ENIAC machine which was made of thousands of vacuum tubes connected by kilometres of cables. And you needed an army of engineers to work these machines which were not reliable at all. And now you have a Pentium chip here which can pack billions of elementary transistors and which is more powerful and more reliable than this machine. And of course, as Dave said in his talk, at the end of the story you will have to pack the information into a single atom, and then in principle you have smaller and faster systems. If you talk about smaller it means faster. And you have here an illustration of Moore's law which shows that by packing more and more elements and smaller elements you increase the memory and the power of computers by a factor of 2 every 18 months. It is the exponential Moore's law; and as we all know an exponential law cannot last forever. When you reach the point where a single information will be packed into an atom, it will be the end of it, classically speaking. But if you can use the quantum nature of said superposition, then you could go further, and this is one hope of modern technology. Another example is atomic clocks, and Dave alluded to atomic clocks during this talk. You see here a caesium clock, it's a fountain clock which is made of cold atoms. The atoms are cooled by laser beams here. Then they are pushed upwards and they make up an atomic fountain which is interrogated here by a radiofrequency coil. In this way you can lock this radiofrequency to the atomic transition frequency with fantastic precision. Dave told you about modern versions in the optical domain, but even these standard clocks can keep the time with the precision of about 1 part in 10^15 or something like that, which is absolutely extraordinary. And by putting such atomic clocks in an ensemble of satellites orbiting the earth, one has been able to realise the GPS system which allows you to localise yourself within 1 metre anywhere on the surface of the earth. And when you use this kind of apparatus - anyone is using that, taxi drivers everywhere in the world - I am sure they don't realise that they are using quantum physics. And not only are they using quantum physics but they are using relativity too. Because if you don't take into account the relativistic correction due to the motion of these satellites and also due to the fact that there are different altitudes in the earth's gravitational field, one would be off by kilometres or by tens of kilometres on the surface of the earth. So it's really basic physics used for applications. I talked about the power and now I have to talk a little bit about the strangeness, of course. And the strangeness is based, as we have seen, on the superposition principle, and even more deeply than that on the wave-particle dualism. You know that light which is considered a wave, an electromagnetic wave, is made of an ensemble of particles which are the photons. This has been described by Einstein in one of his famous 1905 papers. And on the other hand atoms, which are supposed to be particles, are also matter waves, and this has been discovered by de Broglie in 1923. So depending upon the perspective, depending upon the kind of experiment that you do, you will see the systems either as coherent waves giving rise to interference effects, or as discrete particles. And this ambigram is shown here to describe this ambiguity and this complementarity, the fact that which picture emerges depends upon the kind of experiment that you are doing. This idea of complementarity was described, of course, since the early days of quantum physics. And I show you here an example: a particle going through 2 slits. According to the superposition principle, it will be in a state which will be a superposition of it, going on through 1 slit or the other. An atom which can be in 2 energy levels, corresponding to different electronic orbits, can be at the same time in a superposition of the 2 states. And this gives rise to quantum interference effects. You have to associate an amplitude to each of the states. And these amplitudes add up and they can either add or subtract, depending upon their sign - in fact they are complex numbers. And this gives rise to probabilities which can become smaller than they would be classically speaking. Because the probabilities can cancel each other in the quantum world, whereas this cannot happen classically where probabilities are positive numbers which always add up. So this is really the big difference between quantum in the classical world. Another difference is that if you try to find out in which term of this superposition you are, if you perform a measurement then nature will give you a result; for instance, if you have a particle which is in superposition of 2 states. If you want to find out through which slit it went, you have to look; and in order to look you have to send photons. And the photons will disturb the particle. And in the end you will find a random result. You will find the particle either on the left or on the right. And a very important feature too is that this result will be random. You cannot predict before the experiment which result you will find. Einstein said that God is playing dice with quantum physics and he didn't like that, but this is the way nature works. And in fact, you don't need even to have a conscious observer. Very often what happens is that the environment which surrounds the system that you want to observe is playing the role of the observer. The environment spies on the quantum systems. And by spying on them it leaks information into the environment, which forces the system to choose. This is called decoherence. And this happens faster and faster when the size of the system increases. The fathers of quantum physics discussed these ideas in thought experiments - at that time it was impossible to perform the experiment. For instance, you see here a drawing, a picture which was made by Bohr to illustrate a discussion he had with Einstein at the Solvay meeting of 1927. The idea was to send particles one by one through a young double-slit interferometer - and look at the fringes on the screen. And Einstein had the idea to try to eavesdrop on the system: to find out through which slit the particle went without stopping the particle, and hoping that one would see the fringes still. So the idea of Einstein was in order to find the path you have to have one of the slits very light on a movable contraption; and if the particle goes through the upper slit it would kick this slit and put it in motion. So to find the path you just have to detect the momentum transfer to this movable slit. And Bohr answered, 'If you want to do that this requires to define the slit's initial momentum with very high precision, with a very small Delta p. And hence Delta x will be large according to the Heisenberg uncertainty relation. Delta x, Delta p has to be larger than Planck's constant. And if delta X is large it means that the position of the slit will be blurred, and the path difference will be blurred, and you will not see the fringes.' So this is an illustration of complementarity which shows that, indeed, internally quantum physics is consistent. If you try to find out the path, the rules of quantum physics tell you that you won't see the interference, the wave nature of the phenomenon. In fact what I want to stress is that this very simple experiment, described in 1927, contains already the concept of entanglement. You see the particle is in superposition of 2 states: either it goes through the upper slit or it goes...AND it goes through the lower slit at once. If the particle goes through the upper slit, the upper slit will move. And if the particle crosses the lower slit, the upper slit does not move. And if you look at this formula it's exactly the same formula that Dave showed you before, except that I am talking about Bohr's slit and not Schrödinger's cat. And of course it's's dramatic. To talk about Bohr's slit would have bored everyone to death, whereas talking about Schrödinger's cat has raised a lot of attention; but it is basically the same idea. So this already looks like a Schrödinger cat. And in fact I will be very fast on this slide, because it's the same idea discussed by Dave - Schrödinger's cat is exactly the same idea. You have an atom in a superposition of 2 states. In one state nothing happens to the cat. In the other state it triggers a contraption which kills the cat. And so you have a superposition, an entanglement, which is exactly the same kind as the one I showed before. For interacting systems the superposition principle leads to entanglement. And if one of the systems at least is large, this raises the issue of the quantum to classical boundary. Why don't we see the interference effect as associated to large superpositions? And this is related to decoherence. So all these were thought experiments. And these thought experiments had become possible recently, I would say during the last 20 years. These experiments have become real due to new quantum technologies. The most important one is the discovery of tuneable lasers. You have seen on one of Dave's slides this table with 100s of lasers controlled everywhere. This is a very important effect. Lasers have invaded our everyday life. But they have also invaded the life of researchers at a deeper level, and they have been essential for all these experiments. Another important feature are fast computers. You need computers to store the data in real time if you want to control the system which evolves very fast. Another important point is that for some experiments, like to build the mirror that we need to keep our photons in, you need super conducting materials. And this is also a quantum technology. I want to stress the fact that there is a kind of virtuous circle here. You start from quantum ideas, which give you technologies. And using these technologies you can now illustrate directly these quantum ideas at work at the microscopic level and realise experiments that the founding fathers considered impossible, as Dave has said. So I will just present now very briefly the Boulder and Paris experiment to show the complementarity. As Dave has described in his case and the case of all ion trappers, you use electrodes to trap ions. And you use lasers to manipulate these ions and to get information on them by the light they scatter. You see here an example of 5 beryllium ions in Dave's lab in the year 2000, and here 14 calcium ions. I knew that Rainer would be the chairman of this session, so I choose this picture. Which is not a joke, this is really a fantastic system in which you can control the quantum state of a large number of particles. And as Dave said, there's a number of states you can address. It's 2 to the number of the particles - so here you have 2^14 quantum states. And this can be considered as a kind of atomic abacus for quantum information processing. Dave discussed that and I won't give more details about that. What we do is the opposite. We trap the photons, and we use beams of atoms crossing the cavity to get information about the photons. And the atoms we use are Rydberg atoms. These are very large atoms in which an electron is going around the core at a very large distance. For a chemist it's a joke of an atom. It's a system you don't need quantum physics for. It's just a planetary atom: an electron going around. This is in fact the atom which Niels Bohr described exactly 100 years ago in his old quantum mechanic theory of the atom. When he introduced for the first time the notion of quantisation, Planck's constant in the atomic physics, he described the Rydberg atoms that we are using in our experiments. We use these atoms because they are very big and very sensitive to microwaves, and so they are very good detectors of microwave feeds. I don't have time to describe how we detect these atoms and how we use the detection really to get information about the photons. I will just show you 1 or 2 examples. Here you will see in real time scale what happens when you detect the atoms one by one, and you detect them in one state or the other. And what you find is this kind of trace. If you find the atom in the state G, it means that the cavity has no photon inside. If you find the atom in the red state E it means that you have 1 photon inside. And so you see immediately from this kind of experimental trace that you can determine the exact time when a photon appears inside the cavity, a quantum jump of the field. This photon is produced by thermal fluctuations, just because our cavity walls are the finite temperature - very low temperature but still nonzero. According to Planck's law the atoms in the walls of the cavity sometime emit a photon. This photon stays for a while and then disappears. And you see here a photon which has stayed half a second in our cavity. You see that hundreds of atoms see the same photon. And this is really something which is quite different from what we are used to. In the real world, when you see photons, the photons are dead. They disappear on your retina and the atoms form into something else. Here the photons are still there, and atoms can still come in and see the same photon again and again, and you can manipulate it. And since you heard about quantum gates in the previous talk: this is also a quantum gate. You can consider the photon in the zero or one state as a qubit which controls the state of the atom which you find in the state E or G. And you can perform entanglement and superposition state with this system, as you can do in the ion trap physic experiment discussed by Dave. On these traces you see how the photons escape from the box one by one. In the early days of quantum physics, Einstein and Bohr discussed another experiment which was called the photon box experiment, in which the idea was to try to find out exactly when a photon escaped from a box. And you see here how it happens. On the upper trace you have 5 photons whose decay is going to fall to 3 to 2 to 1 to 0. On the lower traces you have a state which has 4 photons which decays to vacuum. Classically you would not expect that. A classical engineer will tell you that if you put electromagnetic energy in a box it decays exponentially. But quantum physics tells you otherwise. If you look at what happens, it's a staircase evolution with random steps. And you recover the classical decay by making an average of a large number of such single trajectories. From these trajectories you can observe that the process is random. And if you make statistical analysis of a large number of such traces, you find that the state with n photon decays with a time constant which is proportional to 1 over n. That is: the higher the quantum state, the faster it decays. This is in some way another expression of decoherence. If you try to bring quantum particles in states which have a large energy, they become more and more fragile, and it becomes more and more difficult to keep them. So why is it important to be able to manipulate single quantum particles? Of course, the main answer that I can give - and I think Dave is giving it too - is curiosity. It's a challenge: Is it possible? How does nature behave at this level? We know from the principle, but we have to check that. And as Dave said this was not of use. Schrödinger believed that these experiments would be always impossible and would lead to ridiculous consequences. I don't know exactly what he meant by that, but for me and for Dave the consequences are not ridiculous. Since we are here, it shows that maybe something useful will come out from that. Another deeper reason that small systems react faster and pack more information per unit volume, leading to more powerful devices. So you have to go to small systems and ultimately to quantum systems if you want to do that. And moreover quantum physics makes a wide range of new state accessible for possible application. And this was also discussed by Dave. I will give you one example of Schrödinger's cat. I cannot explain how we did the experiment but this is a kind of map, a kind of radiography of a field in a cavity, which is in superposition of 2 states. You have 2 bumps, 2 Gaussian peaks, which represents so to speak the live and the dead cat. There are 2 fields which have opposite phases in technical terms. And in between you see fringes taking positive and negative values, which shows that it's a quantum superposition. And you can study how this quantum superposition vanishes in time due to decoherence. The theory of decoherence was developed by, among other people, by Wojciech Zurek. And he wrote a seminal paper in Physics Today, that I urge you to read, about 20 years ago, which really triggered us into this field, because we realised that we could do the experiments. And in fact you will see that we can take pictures of this Schrödinger cat at increasing times. And you will see that after about 20 milliseconds the fringes are washed out. And so you can see here in real time how a quantum system evolves into a statistical mixture with no longer interferences. I will stop the movie after about 20 milliseconds. You see now that the fringes have vanished. Of course there is some noise, but by analysing a large number of such experiments you can really observe decoherence. And you observe an important feature: the rate at which this decoherence occurs increases with the cat size. If instead of having a handful of photons you have billions of photons as in a laser beam, decoherence would be instantaneous. If you take a cat, to take another example, which has 10^27 molecules in it. And if you apply this getting low - decoherence time is a lifetime divided by the number of quantum states - then you find a femtosecond. And I challenge you to kill a cat in less than a femtosecond. So in fact it means that the superposition of dead and live cat has no meaning. And this is maybe what Schrödinger meant when he said 'ridiculous' - it's ridiculous for very large systems. So it could lead to more powerful computers and simulators, to quantum logic - as Dave described. So some people are thinking about more secret communication; it's called quantum cryptography. Other people are thinking about more precise measurements, for instance for atomic clocks; it's called quantum metrology. And there is of course a big issue of quantum computing. So this is my version, a computer which is in superposition of different states. And the idea is, will it be possible to factor large numbers with this? So quantum computers, as Dave said, would exploit state superposition and entanglement in ensemble of real or artificial atoms in order to compute more efficiently. I insist upon the fact that decoherence is a big challenge. We have some ways to correct for decoherence. In our lab we are working on quantum feedback methods which correct for decoherence processes. There are other experiments about their correction. Proofs of principle are underway with small ensembles of atoms; as Dave said we are very far from the use for computer. Quantum simulation is more at hand. I show you here an array of atoms which are kept into what is known as an optical lattice. You put laser beams and you make an interference with these laser beams. You provide optical forces which keep the atoms at a well-defined location, and you realise something which looks like a crystal, but at a different scale. And you can control everything in theses crystals' interaction between the atoms, the size and so on. And this is called simulation instead of computation. And you can simulate situations which occur in solid state structures. For instance, maybe one could understand high-Tc superconductivity by making simulation of this kind. So if you ask me, what would be the future? I can...this sentence has been attributed to a lot of people, from baseball players in the United States to Niels Bohr: It is hard to make predictions, especially about the future. But one thing is sure, and I hope I convinced you, that without basic research novel technologies cannot be invented. And the past teaches us that wonderful applications emerge from blue sky research in unexpected ways. I will give you 2 examples. First the laser: when the laser was invented, nobody knew what it would be useful for. Then, about 10 years later, highly transparent optical fibres were discovered. And powerful computers were at hand. And so if you merge with these 3 independent advances, you find the internet - and the people who invented the lasers would not have dreamt about the internet. And now we are thinking about the quantum internet, using the quantum properties as I discussed earlier, but I am not sure if this will happen. Another example which is maybe closer to chemistry is magnetic resonance imaging. You start from magnetic resonance which studies the dance of spins of magnetic moments in atoms and molecules, which is so useful in biology and in chemistry. But you use it now in medicine. For that you have to put the body into a high magnet, which is another quantum technology, and you have to use fast computers to reconstruct images from the signals. And you get the MRI imaging technique which is now giving us information about the way brain works. But if you had told Bloch or Purcell in 1946, 'I want to do MRI', they would not have understood what you are talking about, because it had to be the convergence of these technologies. So I will conclude by saying that novel technologies often come in unexpected ways from blue sky research. And blue sky research needs 2 priceless ingredients, time and trust. You need to have time to develop this over a long period. Dave said that he had started 35 years ago, it's the same for my group. And we have to work in an environment where the people who decide trust you and give you the support over a long time, without asking you, what are your milestones for next year? What will you produce in 6 months or in 1 year from now? So research is fully successful where and when these 2 ingredients - of course you need money too - but I said time and trust, because it's 2 'T's and money doesn't come with a 'T'. And I want to add that this is not really favoured by the laws of the global market, which emphasise speed and fast obtained marketable results. And I will end by telling you about a place, where research driven by pure curiosity has thrived over the last 50 years. It is my lab, the Kastler Brossel lab at the École Normale Supérieure which was founded by Kastler and Brossel, the inventors of optical pumping, which was the first method to manipulate atoms with light. And the picture you see here was taken 47 years ago, I was a graduate student in this lab. And you see here 3 Nobel Prize winners on the same picture: Claude Cohen-Tannoudji was my physics advisor, who got the Nobel Prize in '97. Kastler who invented optical pumping, got it in 1966. And you see how I was as a student and I was already amazed to have just fallen into a lab where a Nobel Prize was announced. And you see on the right Jean Brossel - and I never understood why Brossel did not share the Nobel Prize with Alfred Kastler. It happened 47 years ago. So I think in 3 years from now, I will be able to look in the archives of the Nobel Prize to find out the answer to this interesting question. And I show you now also my team today. This picture was taken in the same room as the previous one, but last fall. I want to stress that nothing would have been possible without this team, and in particular without Jean-Michel Raimond and Michel Brune, who had been my students and whom I was happy to keep with me over all these years. And there are a lot of very young and very dedicated people also. But I don't have time to give more details. So I thank you for your attention. Applause.

Ich freue mich, hier sein zu können und meinen Vortrag nach dem meines Freundes Dave Wineland halten zu können. Wie Sie wissen, bin auch ich Physiker - niemand ist perfekt. Die Tagung ist der Chemie gewidmet. Aber ich glaube, wir wurden eingeladen, weil wir die letzten Nobelpreisträger für Physik waren. Und deshalb hielt ich es für angemessen, diesen Vortrag unter denselben Titel zu stellen wie meinen Nobelvortrag. Ich möchte die Experimente mit diesem Bild symbolisieren. Das sind zwei Hände, die zwischen Spiegeln mit Bällen jonglieren. Die Bälle, über die wir hier reden, sind Photonen, Lichtteilchen. Und wir versuchen dafür zu sorgen, dass sie sich möglichst lange zwischen den Spiegeln hin und her bewegen; wir wollen dieses Lichtfeld manipulieren und diese Photonen in nicht-klassische Quantenzustände derselben Art versetzen wie diejenigen, die Dave in seinem Vortrag über Atome beschrieben hat. Aber es ist kaum möglich, die Experimente, die wir durchführen, in einer halben Stunde detailliert zu beschreiben. Ich werde deshalb versuchen, diese Art von Physik in einem allgemeineren Sinn auf die Quantenphysik insgesamt zu übertragen. Und ich möchte Ihnen vermitteln, wohin diese Art von Physik, die Arbeit mit dem mikroskopischen System, führen kann und welche Informationen sie uns liefern kann, die wir nicht aus dem über fast ein Jahrhundert aufgebauten Wissen der Quantenphysik beziehen können. Ich möchte über die Wirkmacht und die Eigenartigkeit der Quantenphysik reden und diese beiden Vorstellungen einander gegenüber stellen. Natürlich wissen wir, dass die Quantentheorie sehr machtvoll ist. Sie hat uns die mikroskopische Welt von Teilchen, Atomen und Photonen eröffnet. Und ausgehend von diesem Wissen hat sie uns die Schlüssel zu modernen Technologien geliefert. Dave hat über die Zukunft des Quantencomputers gesprochen. Aber selbst ein traditioneller Computer basiert - über die Eigenschaften und Merkmale von Transistoren - auf Quantengesetzen. Das Quantum hat also diese Wirkmacht. Gleichzeitig stellt aber die Logik dieser Theorie unsere klassische Intuition über die mikroskopische Welt vor eine Herausforderung. Es gibt merkwürdige Effekte, wie dieses Superpositionsprinzip, die sich auf Teilchenebene vollziehen. Wenn man aber riesige Systeme untersucht, die aus einer sehr hohen Anzahl von Teilchen bestehen, bleibt diese Quantenbeschaffenheit auf makroskopischer Ebene verborgen. Wir wollen verstehen, warum das so ist. Wie Dave sagte, lassen kürzlich durchgeführte Experimente, die wir jetzt mit einzelnen Teilchen durchführen können, vermuten, dass wir irgendwann in der Lage sein werden, die Merkwürdigkeit der Quantenphysik für reale Anwendungen auf dem Gebiet der Kommunikation, EDV oder Messtechnik zu nutzen. Ich möchte diese Merkmale kurz in Erinnerung rufen. Auf diesem Bild sehen Sie etwas, was für uns alle nützlich ist. Die Quantenphysik ist von Bedeutung, um die Struktur von Atomen und Zellkernen, sehr einfachen Systemen, zu verstehen. Sie ist auch wesentlich für die Chemie, um nachzuvollziehen, wie sich Atome an Moleküle binden. Sie ist zudem wichtig, um die globalen Eigenschaften von Festkörpern zu verstehen. Sie sehen hier das Bild eines kleinen, supraleitenden Materialteils, das aufgrund des Meissner-Effektes, eines Quanteneffekts, über einem anderen Metallteil schwebt. Und auch am anderen Ende der Skala, wenn wir das Universum als Ganzes betrachten, erzählen uns Kosmologen, dass es im Frühuniversum Quantenfluktuationen gegeben hat, die durch das Inflationsphänomen verstärkt wurden und die gesamte Struktur der heute beobachtbaren Galaxien und Strukturen hervorgebracht haben. Und das rechts auf der Folie zu sehende Bild, das die winzigen Fluktuationen der Schwarzkörperhintergrundstrahlung zeigt, zeigt diese frühen kosmologischen Effekte. Die Quantenphysik ist in der Tat ein sehr interessantes Feld. Und wenn man die Größe der als elementar geltenden Strings - einige Menschen halten sie für die Grundelemente von allem - im Verhältnis zur Größe des Universums betrachtet, geht es um eine über 60-fache Größenordnung. Und man braucht die Quantenphysik, um zu verstehen, was in 60-facher Größenordnung geschieht. Und auch bei den Energien geht es ungefähr um die 60-fache Größenordnung. Das ist natürlich Grundlagenphysik, aber sie führt auch zu Anwendungen: Computer enthalten Transistoren, die man ohne Kenntnisse der Quantenphysik nicht bauen könnte. Laser wären unmöglich, wenn man nicht die grundlegenden Interaktionen von Atomen mit Photonen verstanden hätte. Das ist also etwas, das aus dem Wissen der fundamentalen Physik stammt. Was Computer betrifft, ist die Betrachtung der Größenordnungen interessant. Sie sehen hier einen sehr alten Computer, einen ENIAC-Rechner, der aus Tausenden von Vakuumröhren hergestellt wurde, die mit kilometerlangen Kabeln verbunden waren. Und für den Betrieb dieser Maschinen, die überhaupt nicht zuverlässig waren, benötigte man eine ganze Armee von Ingenieuren. Ein moderner Pentium-Chip kann heute Milliarden von elementaren Transistoren aufnehmen und ist leistungsstärker und zuverlässiger als diese Maschine. Und natürlich wird man, wie Dave in seinem Vortrag sagte, die Informationen letztendlich in ein einziges Atom packen müssen und erhält dann grundsätzlich kleinere und schnellere Systeme. Wenn man über kleiner spricht, bedeutet das schneller. Hier sehen Sie eine Darstellung des Mooreschen Gesetzes, das zeigt, dass man, durch Bestückung mit mehr und mehr Elementen und kleineren Elementen, den Speicher und die Leistungsstärke von Computern alle 18 Monate um einen Faktor von 2 steigert. Das ist das exponentielle Mooresche Gesetz. Und wie wir alle wissen, kann ein exponentielles Gesetz nicht unendlich andauern. Wenn der Punkt erreicht ist, indem eine einzelne Information in ein Atom gepackt wird, ist das im klassischen Sinne das Ende. Aber wenn man die erwähnte Quantenbeschaffenheit der Überlagerung nutzen könnte, könnte man weiter gehen. Darauf setzt die moderne Technologie. Ein weiteres Beispiel sind Atomuhren. Dave hat während seines Vortrags auf Atomuhren hingewiesen. Hier sehen Sie eine Cäsium-Uhr, das ist eine Fontänenuhr, die aus kalten Atomen besteht. Die Atome werden hier mit Laserstrahlen heruntergekühlt. Dann werden sie nach oben gedrückt und erzeugen eine Atomfontäne, die über eine Hochfrequenzspule erfasst wird. So kann diese Hochfrequenz mit phantastischer Präzision auf der atomaren Übergangsfrequenz gehalten werden. Dave hat Ihnen etwas über moderne Versionen auf dem Gebiet der Optik erzählt. Aber selbst diese Standarduhren können die Zeit mit einer Genauigkeit von ungefähr 1 zu 10^15 halten, was absolut hervorragend ist. Und indem man solche Atomuhren in ein Ensemble von Satelliten eingebracht hat, die die Erde umkreisen, konnte man das GPS-System realisieren. Und damit kann jeder überall auf der Erde mit einer Genauigkeit von einem Meter lokalisiert werden. Und wer solche Vorrichtungen benutzt - jeder macht das, jeder Taxifahrer auf der Welt -, weiß wohl nicht, dass sie auf Quantenphysik basieren. Dieses System verwendet nicht nur die Quantenphysik, sondern auch die Relativität. Würde man die aufgrund der Bewegung dieser Satelliten und der unterschiedlichen Gravitationsfeldhöhen der Erde erforderlichen Relativitätskorrekturen nicht berücksichtigen, läge man Kilometer oder zig Kilometer daneben. Für solche Anwendungen wird also tatsächlich Grundlagenphysik eingesetzt. Ich habe jetzt über die Wirkmacht geredet und muss noch etwas zur Eigenartigkeit sagen. Die Eigenartigkeit basiert, wie wir gesehen haben, auf dem Überlagerungsprinzip und noch intensiver auf dem Welle-Teilchen-Dualismus. Sie wissen, dass Licht, das als eine elektromagnetische Welle betrachtet wird, aus einer Gruppe von Teilchen besteht, den Photonen. Das wurde von Einstein in einem seiner berühmten Aufsätze aus dem Jahr 1905 beschrieben. Andererseits sind Atome, die als Teilchen angesehen werden, auch Materiewellen und das wurde von Broglie 1923 entdeckt. Abhängig von der Perspektive, abhängig von der Art des durchgeführten Experiments betrachtet man die Systeme entweder als kohärente Wellen, die Interferenzeffekte auslösen, oder als diskrete Teilchen. Und dieses Ambigramm beschreibt diese Ambiguität und diese Komplementarität, die Tatsache also, dass die Frage, welches Bild auftaucht, von der Art des durchgeführten Experiments abhängt. Diese Vorstellung von der Komplementarität wurde natürlich seit den Anfängen der Quantenphysik beschrieben. Ich zeige Ihnen hier ein Beispiel: Ein Teilchen, das sich durch zwei Spalten bewegt. Entsprechend dem Überlagerungsprinzip befindet es sich in einem Zustand, der eine Überlagerung ist, und tritt durch den einen oder den anderen Spalt hindurch. Ein Atom, das sich entsprechend unterschiedlicher elektronischer Umlaufbahnen in zwei Energieebenen befinden kann, kann gleichzeitig eine Überlagerung der beiden Zustände annehmen. Und das löst Quanteninterferenzeffekte aus. Mit jedem Zustand muss eine Amplitude assoziiert werden. Und diese Amplituden addieren sich auf und können, abhängig von ihrem Vorzeichen, entweder addiert oder subtrahiert werden - tatsächlich sind sie komplexe Zahlen. Und das ergibt Wahrscheinlichkeiten, die geringer sein können, als dies klassischerweise der Fall wäre. Denn in der Quantenwelt können sich Wahrscheinlichkeiten gegenseitig aufheben, während dies normalerweise nicht passieren kann. Wahrscheinlichkeiten sind normalerweise positive Zahlen, die sich immer addieren. Und das ist tatsächlich der große Unterschied zwischen Quanten- und klassischer Welt. Ein weiterer Unterschied: Wenn man versucht herauszufinden, in welchem Überlagerungsmodus man sich befindet, also eine Messung durchführt, gibt die Natur die Antwort. Hat man beispielsweise ein Teilchen, das sich in einer Überlagerung von zwei Zuständen befindet, und will herausfinden, durch welchen Spalt es sich bewegt hat, muss man das beobachten. Und wenn man das beobachten will, muss man Photonen senden. Und die Photonen stören das Teilchen. Und schließlich erhält man ein Zufallsergebnis. Das Photon befindet sich entweder auf der linken oder auf der rechten Seite. Ein wichtiges Merkmal ist auch, dass das Ergebnis ein Zufallsergebnis ist. Vor dem Experiment kann man nicht vorhersagen, welches Ergebnis man erhalten wird. Einstein meinte, dass Gott mit der Quantenphysik würfelt. Das gefiel ihm nicht, aber so funktioniert die Natur nun mal. Und eigentlich braucht es nicht einmal einen bewussten Beobachter. Sehr oft passiert es, dass das Umfeld des Systems, das man beobachten möchte, die Rolle des Beobachters übernimmt. Das Umfeld "bespitzelt" die Quantensysteme. Und durch diese Bespitzelung sickern Informationen in das Umfeld, die das System zwingen, Entscheidungen zu treffen. Das wird als Dekohärenz bezeichnet. Und dies geschieht mit zunehmender Größe des Systems immer schneller. Die Väter der Quantenphysik haben diese Vorstellungen in Gedankenexperimenten diskutiert - damals war es unmöglich, das Experiment durchzuführen. Hier sehen Sie beispielsweise eine von Bohr angefertigte Zeichnung, die ein Gespräch illustriert, das er beim Solvay-Treffen 1927 mit Einstein führte. Die Idee war, Teilchen nacheinander durch ein junges, zweispaltiges Interferometer zu senden und die Interferenzmuster auf dem Bildschirm zu beobachten. Einstein hatte die Idee, das System auszuspähen, um herauszufinden, durch welchen Spalt sich das Teilchen bewegt hat, ohne das Teilchen anzuhalten. Und er hoffte, das Interferenzmuster dennoch erkennen zu können. Einstein verfolgte also die Idee, bei der Suche nach dem Weg eine der Spalten auf einer beweglichen Vorrichtung anzubringen. Wenn das Teilchen den oberen Spalt nimmt, würde es diesen Spalt anstoßen und in Bewegung setzen. Um den Weg zu identifizieren, müsste man also einfach die Impulsübertragung dieses beweglichen Spalts erfassen. Und natürlich entgegnete Bohr: Wenn Sie das machen wollen, müssen Sie den Anfangsimpuls des Spalts mit höchster Präzision bei einem sehr kleinen Delta p festlegen. Und deswegen wird Delta x aufgrund der Unschärferelation von Heisenberg groß sein - Delta x, Delta p muss größer als die Plancksche Konstante sein. Und wenn Delta x groß ist, bedeutet das eine Verwischung der Spaltposition. Der Gangunterschied wird unscharf und man kann das Interferenzmuster nicht erkennen. Das ist eine Darstellung der Komplementarität. Sie zeigt, dass die Quantenphysik intern durchaus konsistent ist. Wenn man versucht, den Weg zu identifizieren, so die Regeln der Quantenphysik, kann man die Interferenz, die Wellennatur des Phänomens nicht erkennen. Ich will ausdrücklich darauf hinweisen, dass dieses sehr einfache, 1927 beschriebene Experiment bereits das Konzept der Verschränktheit beinhaltet. Man sieht, dass das Teilchen in einer Überlagerung von zwei Zuständen existiert: Entweder geht es durch den oberen Spalt oder es geht ... UND es bewegt sich gleichzeitig durch den unteren Spalt. Wenn das Teilchen durch den oberen Spalt geht, bewegt sich der obere Spalt. Und wenn das Teilchen durch den unteren Spalt geht, bewegt sich der obere Spalt nicht. Diese Formel hier ist exakt die gleiche Formel, die Dave Ihnen auch gezeigt hat, mit dem Unterschied, das ich über den Bohr-Spalt rede und nicht über Schrödingers Katze. Und natürlich ist das viel ... das ist dramatisch. Über den Bohr-Spalt zu reden, hätte alle zu Tode gelangweilt. Über Schrödingers Katze zu reden, hat eine Menge Aufmerksamkeit erweckt. Aber letztendlich ist es im Grunde dieselbe Idee. Das hier sieht also schon aus wie ein Exemplar von Schrödingers Katze. Und ich werde diese Folie sehr schnell abhandeln, weil Dave bereits das gleiche Konzept vorgestellt hat: Schrödingers Katze ist genau die gleiche Idee. Man hat ein Atom in einer Überlagerung von zwei Zuständen. Und in einem Zustand passiert nichts mit der Katze. Im anderen Zustand wird eine Apparatur ausgelöst, die die Katze tötet. Und so kommt es zu einer Überlagerung, einer Verschränkung, die exakt der entspricht, die ich vorher gezeigt habe. Bei interagierenden Systemen führt das Überlagerungsprinzip zur Verschränkung. Und wenn mindestens eines der Systeme groß ist, stößt die Quantenfrage an eine klassische Grenze. Warum können wir den Interferenzeffekt nicht beobachten, wenn es um große Überlagerungen geht? Das hängt mit der Dekohärenz zusammen. Das alles waren Gedankenexperimente. Und diese Gedankenexperimente sind in letzter Zeit - ich würde sagen, in den letzten 20 Jahren - möglich geworden. Aufgrund neuer Quantentechnologien sind diese Experimente real geworden. Das wichtigste ist die Entdeckung von abstimmbaren Lasern. Sie haben auf einer von Daves Folien die Tabelle mit hunderten von kontrollierten Lasern gesehen. Das ist ein sehr wichtiger Effekt. Laser haben Einzug in unser Alltagsleben gefunden, aber auch auf einer tieferen Ebene in das Leben der Forscher und sie waren für all diese Experimente entscheidend. Ein weiteres wichtiges Merkmal sind schnelle Computer. Man muss die Daten in Echtzeit speichern können, wenn man das sich sehr schnell entwickelnde System kontrollieren will. Wichtig ist auch, dass man für einige Experimente - etwa für den Bau des Spiegels, den man zur Führung der Photonen braucht - supraleitfähige Materialien benötigt. Und auch das ist Quantentechnologie. Ich möchte betonen, dass hier eine Art von Circulus virtuosus vorliegt. Der Anfang sind Quantenideen, die zu Technologien führen. Und mit dem Einsatz dieser Technologien kann man diese Ideen heute direkt während der Arbeit auf mikroskopischer Ebene darstellen und Experimente durchführen, die die Gründungsväter für unmöglich hielten, wie Dave sagte. Ich möchte hier ganz kurz das Boulder- und Paris-Experiment präsentieren, um die Komplementarität aufzuzeigen. Wie Dave für seinen Fall und den Fall aller Ionenfänger beschrieben hat, werden zum Einfangen von Ionen Elektroden verwendet. Diese Ionen werden mit Lasern manipuliert, um durch die Lichtstreuung Informationen über sie zu erhalten. Hier sehen Sie zum Beispiel fünf Beryllium-Ionen in Daves Labor aus dem Jahr 2000 und hier 14 Calcium-Ionen. Ich wusste, dass Rainer der Vorsitzende dieser Veranstaltung ist und deshalb habe ich dieses Bild gewählt - das ist kein Scherz. Es ist ein wirklich phantastisches System, in dem man den Quantenzustand einer riesigen Anzahl von Teilchen steuern kann. Und wie Dave sagte, können zahlreiche Zustände berücksichtigt werden. Man spricht von 2 hoch die Zahl der Teilchen - hier also 2^14 Quantenzuständen. Und das kann man als eine Art atomaren Abakus für die Quanteninformationsverarbeitung betrachten. Dave hat darauf Bezug genommen und deshalb werde ich hier nicht weiter darauf eingehen. Wir machen genau das Gegenteil. Wir fangen die Photonen ein und wir nutzen Strahlen von Atomen, die den Hohlraumresonator (Kavität) durchqueren, um Informationen über die Photonen zu erhalten. Wir verwenden Rydberg-Atome. Das sind sehr große Atome, bei denen sich ein Elektron in sehr großem Abstand um den Kern bewegt. Für einen Chemiker ist dieses Atom ein Witz. Es ist ein System, für das man keine Quantenphysik braucht. Es ist einfach ein Planetenatom: Ein Elektron, das sich im Kreis bewegt. Es ist eigentlich das Atom, das Niels Bohr exakt vor 100 Jahren in seiner alten Quantenmechaniktheorie des Atoms beschrieben hat. Er stellte damals erstmalig das Quantisierungskonzept vor, die Plancksche Konstante in der Atomphysik, und beschrieb die Rydberg-Atome, die wir in unseren Experimenten verwenden. Wir verwenden diese Atome, weil sie sehr groß sind und äußerst empfindlich auf Mikrowellen reagieren. Deshalb gelten sie als sehr gute Detektoren von Mikrowellenspeisungen. Ich kann hier aus Zeitgründen nicht darauf eingehen, wie wir diese Atome entdecken und wie wir die Erkennung nutzen, um Informationen über die Photonen zu erhalten. Ich möchte nur ein, zwei Beispiele zeigen. Hier sehen Sie im realen Zeitmaßstab, was passiert, wenn man die Atome einzeln sichtbar macht und sie in dem einen oder dem anderen Zustand erfasst. Dann erhält man eine solche Spur. Erfasst man das Atom im Zustand G, bedeutet das, dass sich kein Photon in der Kavität befindet. Findet man das Atom im roten Zustand E vor, bedeutet dass, das sich ein Photon im Innern befindet. Aus so einer experimentellen Spur lässt sich direkt der exakte Zeitpunkt ermitteln, an dem ein Photon im Innern der Kavität, ein Quantensprung im Feld, auftritt. Dieses Photon wird durch Temperaturschwankungen produziert, da unsere Kavitätswände endliche Temperaturen aufweisen - sehr niedrige Temperaturen, aber noch ungleich null. Nach dem Planckschen Gesetz geben die Atome in den Wänden der Kavität manchmal ein Photon ab. Dieses Photon verweilt eine Zeitlang und verschwindet dann wieder. Hier sehen Sie ein Photon, das eine halbe Sekunde in unserem Hohlraumresonator blieb. Und Sie sehen, dass hunderte Atome dasselbe Photon sehen. Und das ist wirklich etwas ganz anderes, als wir gewohnt sind. In der realen Welt sind die Photonen, die man sieht, tot. Sie verschwinden auf unserer Netzhaut und die Atome formen sich zu etwas anderem um. Hier sind die Photonen noch vorhanden, und es können immer noch Atome ankommen und immer wieder dasselbe Photon sehen. Man kann das manipulieren. Und da Sie im vorherigen Vortrag schon etwas über Quantentore gehört haben: Das hier ist ebenfalls ein Quantentor. Sie können sich das Photon im Null- oder Eins-Zustand als Quantenbit vorstellen, das den Zustand des Atoms kontrolliert, das Sie im Zustand E oder G vorfinden. Und man kann mit diesem System den Verschränkungs- und Überlagerungszustand durchführen, wie es in dem von Dave besprochenen physikalischen Ionenfänger-Experiment möglich ist. An diesen Spuren sieht man, wie die Photonen nacheinander aus der Box verschwinden. In den frühen Tagen der Quantenphysik haben Einstein und Bohr ein weiteres Experiment diskutiert, das als Photonen-Box-Experiment bezeichnet wurde. Damit wollte man genau herausfinden, wann ein Photon aus der Box entwischt. Und hier sehen Sie, wie das geschieht. Auf der oberen Spur sind fünf Photonen, deren Zerfall von 4 zu 3 zu 2 zu 1 zu 0 verläuft. Bei den unteren Spuren ist ein Zustand mit vier Photonen zu sehen, der zum Vakuum zerfällt. Im klassischen Sinne würde man das nicht erwarten. Ein klassischer Ingenieur wird sagen, dass elektromagnetische Energie in einer Box exponentiell zerfällt. Aber die Quantenphysik erzählt etwas anderes. Betrachtet man das Geschehen, sieht man eine stufenartig aufgebaute Entwicklung mit Zufallsschritten. Und man stellt den klassischen Zerfall wieder her, indem man eine große Anzahl solcher einzelnen Trajektorien erzeugt. Aus diesen Trajektorien wird ersichtlich, dass der Prozess zufällig verläuft. Wenn man eine riesige Anzahl solcher Spuren statistisch analysiert, findet man heraus, dass der Zustand mit n Photonen in einer Zeitkonstante zerfällt, die proportional zu 1 durch n ist. Das heißt: Je höher der Quantenzustand, desto schneller zerfällt er. Das ist in gewisser Weise ein anderer Ausdruck der Dekohärenz. Wenn man versucht, Quantenteilchen in Zustände mit höherer Energie zu versetzen, werden sie zunehmend fragiler und lassen sie sich zunehmend schwerer halten. Warum ist es wichtig, einzelne Quantenteilchen manipulieren zu können? Natürlich lautet die wichtigste Antwort, die ich - und ich glaube auch Dave - geben würde: die Neugier. Es ist eine Herausforderung. Ist das möglich? Wie verhält sich die Natur auf dieser Ebene? Wir wissen das vom Prinzip her, aber wir müssen das überprüfen. Und wie Dave sagte, war das nicht von Nutzen. Schrödinger glaubte, dass diese Experimente immer unmöglich bleiben würden und lächerliche Folgen hätten. Ich weiß nicht genau, was er damit meinte. Aber für mich und Dave waren die Folgen nicht lächerlich. Dass wir hier sind, zeigt doch, dass daraus möglicherweise etwas Sinnvolles entstehen kann. Ein weiterer tieferer Grund dafür ist der, dass kleine Systeme schneller reagieren und mehr Informationen je Einheitsvolumen zusammenpacken. Das führt zu leistungsfähigeren Bausteinen. Wenn man das will, muss man sich mit kleinen Systemen und letztendlich mit Quantensystemen beschäftigen. Und darüber hinaus macht die Quantenphysik ein breites Spektrum an neuen Zuständen für mögliche Anwendungen zugänglich. Darauf ist Dave ja auch eingegangen. Ich möchte Ihnen ein Beispiel für Schrödingers Katze geben. Ich kann Ihnen hier nicht erklären, wie wir das Experiment durchführen. Aber das hier ist eine Art Karte, eine Art von Röntgenaufnahme eines Feldes in einer Kavität, das sich in einer Überlagerung von zwei Zuständen befindet. Es gibt zwei Erhebungen, zwei Gaußsche Peak-Werte, die sozusagen die lebendige und die tote Katze repräsentieren. Es gibt zwei Felder, die im technischen Sinne entgegengesetzte Phasen repräsentieren. Und dazwischen sind Interferenzmuster mit positiven und negativen Werten zu sehen. Das zeigt, dass dies eine Quantenüberlagerung ist. Und man kann untersuchen, wie diese Quantenüberlagerung im Laufe der Zeit aufgrund der Dekohärenz verschwindet. Die Theorie der Dekohärenz wurde unter anderem von Wojciech Zurek entwickelt. Er veröffentlichte vor 20 Jahren einen bahnbrechenden Artikel in Physics Today, den Sie unbedingt lesen sollten. Das hat wirklich die Zuwendung zu diesem Gebiet ausgelöst. Denn wir realisierten, dass wir die Experimente durchführen können. Und tatsächlich können wir in der Tat immer öfter Bilder dieser Schrödinger-Katze aufnehmen. Und Sie werden sehen, dass das Interferenzmuster nach rund 20 Millisekunden verschwunden ist. Hier ist also in Echtzeit zu sehen, wie sich ein Quantensystem zu einer statistischen Mischung entwickelt, die keine Interferenzen mehr aufweist. Ich halte das Video nach ungefähr 20 Millisekunden an. Sie sehen, dass das Interferenzmuster verschwunden ist. Es gibt noch ein gewisses Rauschen. Aber wenn man eine riesige Anzahl solcher Experimente analysiert, kann man tatsächlich Dekohärenz beobachten. Und man erkennt ein wichtiges Merkmal: Die Geschwindigkeit, mit der diese Dekohärenz eintritt, nimmt mit der Katzengröße zu. Wenn man statt einer Handvoll Photonen Milliarden Photonen wie in einem Laserstrahl hat, wäre augenblicklich Dekohärenz gegeben. Wenn man eine Katze nimmt, um ein anderes Beispiel zu erläutern, die aus 10^27 Moleküle besteht, und das abnehmend anwendet landet man bei einer Femtosekunde. Und ich bezweifle, dass Sie eine Katze in weniger als einer Femtosekunde töten können. Tatsächlich heißt das, dass die Überlagerung von toter und lebender Katze keine Bedeutung hat. Und das ist möglicherweise auch das, was Schrödinger als "lächerlich" bezeichnet hat - es ist lächerlich für sehr große Systeme. Das könnte zu leistungsstärkeren Computern und Simulatoren führen, zur Quantenlogik - wie Dave beschrieben hat. Einige Menschen denken über eine geheimere Kommunikation nach. Sie wird als Quantenkryptographie bezeichnet. Andere denken über präzisere Messungen nach, beispielsweise mit Atomuhren. Das wird als Quantenmetrologie bezeichnet. Und dann gibt es selbstverständlich noch das große Thema Quantum Computing. Das ist meine Version, ein Computer, bei dem sich mehrere Zustände überlagern. Und die zugrunde liegende Idee ist, dass es möglich sein wird, damit große Zahlen zu berücksichtigen. Quantencomputer würden, wie Dave sagte, die Zustandsüberlagerung und -verschränkung in Gruppen aus echten oder künstlichen Atomen nutzen, um effizienter rechnen zu können. Es ist mir wichtig zu betonen, dass die Dekohärenz eine Riesenherausforderung ist. Wir haben einige Möglichkeiten, die Dekohärenz zu korrigieren. In unserem Labor arbeiten wir an Quantenfeedbackmethoden, die die Effekte von Dekohärenzprozessen korrigieren. Und es gibt weitere Korrekturexperimente. Derzeit werden Machbarkeitsstudien mit kleinen Atom-Ensembles durchgeführt. Wie Dave bereits sagte, sind wir noch weit von der Nutzung für Computer entfernt. Die Quantensimulation liegt eher auf der Hand. Ich zeige Ihnen hier einen Array von Atomen, die in einem sogenannten optischen Gitter gehalten werden. Mit Laserstrahlen sorgt man für eine Interferenz. Optische Kräfte halten die Atome an einer genau definierten Stelle fest. So erreicht man etwas, das wie ein Kristall aussieht, aber in einer anderen Größenordnung. Und man kann in der Interaktion dieser Kristalle zwischen den Atomen alles, beispielsweise die Größe usw., steuern. Dies wird Simulation statt Berechnung genannt. Und man kann Situationen simulieren, die in Festkörperstrukturen ablaufen. Beispielsweise könnte man die Hoch-Tc-Supraleitung durch eine derartige Simulation aufklären. Und wenn Sie mich jetzt nach der Zukunft fragen, kann ich... Dieser Satz wurde bereits vielen Menschen zugeschrieben, Baseballspielern in den USA ebenso wie Niels Bohr: Aber eines ist sicher und ich hoffe, davon konnte ich Sie überzeugen: Ohne Grundlagenforschung können keine neuen Technologien erfunden werden. Und die Vergangenheit lehrt uns, dass aus rein wissenschaftlich motivierter Blue Sky-Forschung völlig unerwartete, wunderbare Anwendungen hervorgehen können. Zwei Beispiele dazu. Erstens der Laser: Als der Laser erfunden wurde, wusste niemand, wofür der nützlich sein könnte. Rund zehn Jahre später wurden dann hochtransparente Lichtleiter entdeckt. Und es standen leistungsstarke Computer zur Verfügung. Und durch Verschmelzung dieser drei voneinander unabhängigen, fortschrittlichen Konzepte kam es zum Internet - und die Menschen, die die Lasertechnik erfunden haben, ahnten noch nichts vom Internet. Und jetzt denken wir über das Quanten-Internet nach, das die Quantenmerkmale verwendet, die ich beschrieben habe. Aber ich weiß nicht, ob sich das tatsächlich umsetzen lässt. Ein weiteres Beispiel, das möglicherweise etwas näher an der Chemie liegt, ist die Kernspintomographie. Begonnen hat es mit der Magnetresonanz, die den Tanz der Drehungen magnetischer Momente in Atomen und Molekülen untersucht und so wertvoll für die Biologie und die Chemie ist. Aber heute wird diese Technik in der Medizin eingesetzt. Dafür wird der Körper in ein starkes Magnetfeld geschoben - einer weiteren Quantentechnologie - und man braucht schnelle Computer, um aus den Signalen Bilder zu rekonstruieren. Und daraus entsteht dann die Magnetresonanztomographie, die uns heute Informationen darüber liefert, wie das Gehirn funktioniert. Hätte man Bloch oder Purcell aber 1946 gesagt, dass man die MRT-Technik entwickeln möchte, hätten sie nicht verstanden, worüber man redet, denn erst die Konvergenz dieser Technologien führt zum Ergebnis. Ich möchte abschließend sagen, dass neuartige Technologien oft ein unerwartetes Ergebnis von rein wissenschaftlich motivierter Blue Sky-Forschung sind. Und die braucht zwei unbezahlbare Zutaten: Zeit und Vertrauen. Man braucht Zeit, um so etwas über einen langen Zeitraum zu entwickeln - Dave erzählte, dass er vor 35 Jahren begonnen hat. Das Gleiche gilt für meine Gruppe. Und wir haben in einem Umfeld gearbeitet, in dem die Entscheider uns über lange Zeit vertraut und unterstützt haben, ohne uns zu fragen, wie unsere Meilensteine für das nächste Jahr aussehen oder was wir in sechs Monaten oder in einem Jahr erreichen. Forschung ist also wirklich erfolgreich, wenn diese beiden Zutaten - und natürlich braucht man auch noch Geld - vorhanden sind. Aber ich habe von Time (Zeit) und Trust (Vertrauen) gesprochen, weil beide mit T beginnen und Money (Geld) nicht. Und ich möchte ergänzen, dass diese Faktoren von den Gesetzen des globalen Marktes nicht wirklich unterstützt werden. Dort liegt die Betonung auf Geschwindigkeit und schnell erzielten, vermarktbaren Ergebnissen. Ich möchte enden, indem ich Ihnen über einen Ort erzähle, an dem eine durch reine Neugier getriebene Forschung in den vergangenen 50 Jahren gediehen ist. Es ist mein Labor, das Kastler Brossel Labor an der École Normale Supérieure, das von Kastler und Brossel gegründet wurde, den Erfindern des optischen Pumpprozesses, der ersten Methode zur Manipulation von Atomen mit Licht. Dieses Foto ist vor 47 Jahren entstanden, als ich Doktorand in diesem Labor war. Sie sehen hier drei Nobelpreisträger auf einem Bild: Claude Cohen-Tannoudji, meinen Physikmentor, der 1997 den Nobelpreis erhielt. Kastler, der den optischen Pumpprozess erfand, erhielt den Nobelpreis 1966. Und Sie sehen mich als Studenten, und ich war höchst verblüfft, an ein Labor geraten zu sein, an das ein Nobelpreis vergegeben wurde. Rechts sehen Sie Jean Brossel - ich habe nie verstanden, warum Brossel den Nobelpreis nicht gemeinsam mit Alfred Kastler erhalten hat. Das war vor 47 Jahren. Ich werde also in drei Jahren die Möglichkeit haben, in den Nobelpreis-Archiven die Antwort auf diese interessante Frage zu finden. Und ich möchte Ihnen auch noch mein heutiges Team zeigen. Dieses Bild wurde im gleichen Raum aufgenommen wie das vorherige, allerdings im letzten Herbst. Ich möchte sagen, dass ohne dieses Team nichts möglich gewesen wäre - insbesondere nicht ohne Jean-Michel Raimond und Michel Brune, die als Studenten zu mir kamen und über all die Jahre geblieben sind. Und es gibt viele weitere junge und engagierte Menschen. Aber es bleibt jetzt keine Zeit mehr, darauf einzugehen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.


The founders of quantum theory assumed in “thought experiments” that they were manipulating isolated quantum systems, obeying the counterintuitive laws which they had just discovered. Technological advances have recently turned these virtual experiments into real ones by making possible the actual control of isolated quantum particles. Many laboratories are realizing such experiments, in a research field at the frontier between physics and information science. Fundamentally, these studies explore the transition between the microscopic world ruled by quantum laws and our macroscopic environment which appears “classical”. Practically, physicists hope that these experiments will result in new technologies exploiting the strange quantum logic to compute, communicate or measure physical quantities better than was previously conceivable. In Paris, we perform such experiments by juggling with photons trapped between superconducting mirrors. I will give a simple description of these studies, compare them to similar ones performed on other systems and guess about possible applications.