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Quantenphysik

Die Quantenphysik ist die Lehre des Allerkleinsten: Sie beschreibt, wie sich Elementarteilchen, Atome und andere winzige Objekte verhalten. Neben der Relativitätstheorie ist sie eine der Säulen der modernen Physik – und fordert wegen ihrer skurrilen Gesetze seit 100 Jahren Philosophen und Denker heraus. In Zukunft könnte sie noch stärker als bisher zur Basis neuer Technologien werden.

Viele Gesetze der Quantenphysik widersprechen dem gesunden Menschenverstand. Quantenobjekte können sich beispielsweise in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden (»Überlagerung«) oder über große Entfernungen aneinander gekoppelt sein (»Verschränkung«).

Geradezu legendär ist das Gedankenexperiment von Erwin Schrödinger aus den 1930er Jahren: Er stellte sich vor, was mit einer Katze geschehen würde, die den Regeln der Quantenphysik unterliegt. Sie könnte in diesem Fall gleichzeitig tot und lebendig sein.

Die Quantenphysik fordert zunehmend auch Ingenieure heraus. Sie wollen Quantenphänomene technisch nutzbar machen. So könnte es künftig zum Beispiel ein Quanten-Internet geben, in dem besonders wichtige Botschaften eine spezielle, nicht knackbare Verschlüsselung erhalten.

Forscher arbeiten auch an Quantencomputern. Sie könnten manche Spezialaufgaben schneller lösen als herkömmliche Modelle. Google hat 2019 einen ersten Prototypen namens Scycamore präsentiert, der eine Rechenaufgabe erstmals schneller durchführen konnte als ein klassischer Computer.

Die Quantenphysik umfasst alle Phänomene und Effekte, die darauf beruhen, dass bestimmte Größen nicht jeden beliebigen Wert annehmen können, sondern nur feste, diskrete Werte (siehe Quantelung). Dazu gehören auch der Welle-Teilchen-Dualismus, die Nichtdeterminiertheit von physikalischen Vorgängen und deren unvermeidliche Beeinflussung durch die Beobachtung. Quantenphysik umfasst alle Beobachtungen, Theorien, Modelle und Konzepte, die auf die Quantenhypothese von Max Planck zurückgehen. Plancks Hypothese war um 1900 notwendig geworden, weil die klassische Physik z. B. bei der Beschreibung des Lichts oder des Aufbaus der Materie an ihre Grenzen gestoßen war.

Besonders deutlich zeigen sich die Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik im mikroskopisch Kleinen (z. B. Aufbau der Atome und Moleküle) oder in besonders „reinen“ Systemen (z. B. Supraleitung und Laserstrahlung). Aber auch ganz alltägliche Dinge wie die chemischen oder physikalischen Eigenschaften verschiedener Stoffe (Farbe, Ferromagnetismus, elektrische Leitfähigkeit usw.) lassen sich nur quantenphysikalisch verstehen.

Die theoretische Quantenphysik umfasst die Quantenmechanik und die Quantenfeldtheorie. Erstere beschreibt das Verhalten von Quantenobjekten unter dem Einfluss von Feldern. Letztere behandelt zusätzlich die Felder als Quantenobjekte. Die Vorhersagen beider Theorien stimmen außerordentlich gut mit den Ergebnissen von Experimenten überein.

Eine wichtige offene Frage ist die Beziehung zur allgemeinen Relativitätstheorie. Trotz großer Bemühungen hin zu einer vereinheitlichten Theorie konnten diese großen physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts bisher nicht in einer Theorie der Quantengravitation zusammengefasst werden.

Quantenphysik

Quantenphysik - Geometrien von Tensornetzen, AG Eisert

Quantenphysik - Geometrien von Tensornetzen, AG Eisert

Die Quantenphysik beschreibt die Naturgesetze im atomaren und subatomaren Bereich und sagt ebenso Eigenschaften von viel größeren Systemen voraus.

Ohne sie gäbe es weder Computer noch Laser oder Solarzellen. Sie ist das physikalische Fundament der digitalen Revolution. Wir arbeiten daran, komplexe Quantensysteme zu verstehen, um sie für Quantenchemie, Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quantenoptik nutzbar zu machen.

Woran wir forschen

komplexe Quantensysteme

Nanomagnetismus

mesoskopische Supraleitung

Quantenchaos

Quantenrechner und -information

Dabei stehen physikalische Systeme im Fokus, die entweder von Natur aus starke elektronische Korrelationen aufweisen, z.B. in komplexen Materialien oder in gezielt designten Objekten wie Majorana-Systemen oder auch kalte atomare Gase, die wiederum eine wichtige Rolle in der Quanteninformation spielen.

Forschungsfokus

Komplexe Quantensysteme

Alle komplexen Quantensysteme verbindet, dass sie faszinierende Eigenschaften haben, die trotz aller Einfachheit der dominierenden Wechselwirkungen extrem schwer vorauszusagen sind. Auf der anderen Seite kann diese Komplexität auch gezielt ausgenutzt werden, um praktische Anwendungen zu ermöglichen. Quantensimulatoren zum Beispiel haben das Potenzial selbst die schnellsten Supercomputer, die es heutzutage gibt, um Größenordnungen zu schlagen.

Quantensystem

Der Begriff "Quantensystem" bezieht sich auf physikalische Systeme, in denen Erscheinungsformen der Quantenmechanik sichtbar sind. Beispiele solcher Erscheinungsformen sind Quantisierung von Energie oder anderer Observablen, Interferenz von Teilchenwellen, Nicht-Lokalität oder quantenmechanisches Tunneln. Diese Erscheinungsformen unterscheiden die Quantenmechanik von der klassischen Mechanik, in der Observable kontinuierlich sind, Teilchen nicht interferieren und Tunneln verboten ist. Quantensysteme umfassen die gesamte mikroskopische Welt, wie Elementarteilchen und Atome, aber auch elektrische Leiter mit Dimensionen im Nanometerbereich, Halbleiter, große Moleküle sowie bestimmte Materialien, deren makroskopische Eigenschaften durch quantenmechanische Wechselwirkung auf mikroskopischen Skalen bestimmt werden.

Komplexität

Das Konzept der "Komplexität" beschreibt die Situation, in der das Verhalten eines Systems nicht aus seinen mikroskopischen Bestandteilen abgeleitet werden kann. Komplexe Systeme müssen im Hinblick auf jene Eigenschaften beschrieben werden, die charakteristisch für das Vielteilchensystem sind. Dieses Konzept ist sowohl in der klassischen Welt (z. B. Turbulenz) als auch für Quantensysteme relevant. Komplexe Systeme besitzen häufig eine große Zahl an Freiheitsgraden, und eine Analyse ihres Verhaltens verlangt meistens statistische Methoden.

Theoretische Erforschung komplexer Quantensysteme

Kombiniert man diese beiden Konzepte, versteht man komplexe Quantensysteme als physikalische Systeme, welche aus vielen Teilchen bestehen und deren Verhalten von quantenmechanischen Gesetzen bestimmt wird. Dieses Gebiet umfasst viele interessante und wichtige Forschungsrichtungen der gegenwärtigen theoretischen Physik, wie Quantentransport, Nanomagnetismus, mesoskopische Supraleitung, Quantenchaos, stark korrelierte Elektronensysteme, komplexe Materialien, bestimmte Gebiete der Biophysik, kalte atomare Gase sowie Quantenmessung, Quanteninformatik, oder Quanteninformation.

Unsere Untersuchungsmethoden

Dichtefunktional-Theorie (DFT)

Transport- und Streutheorie

Modellierung von Nichtgleichgewichtszuständen und deren Eigenschaften

Methoden der Quanteninformation

Tensornetzwerke

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