Vom Heuschnupfen zum wissenschaftlichen Fundament der heutigen Quantenphysik
Vor genau einem Jahrhundert schrieb Werner Heisenberg auf der Nordseeinsel Helgoland Wissenschaftsgeschichte. Sein Aufenthalt dort – ursprünglich der Versuch, seinem Heuschnupfen zu entkommen – gilt als die Geburtsstunde der Quantenmechanik. Dieser Theorie verdanken wir zahlreiche technologische Errungenschaften: vom Laser über Halbleiter bis hin zur Kommunikationstechnik. Um diesen bedeutenden Meilenstein zu würdigen, kamen im Juni Quantenwissenschafter*innen aus aller Welt zu einem internationalen Workshop zusammen. Im Mittelpunkt stand der Austausch an der Schnittstelle von Grundlagenforschung und technologischer Anwendung der Quantenmechanik.
Das Jahr 2025 wurde von der Generalversammlung der Vereinten Nationen unter Federführung der UNESCO zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärt. Vor 100 Jahren gelang Werner Heisenberg auf Helgoland der entscheidende Durchbruch bei der Entwicklung der Matrixmechanik – der ersten mathematischen Formulierung der modernen Quantentheorie. Anlass genug für ein internationales Symposium unter Mitwirkung des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL), das zahlreiche führende Köpfe der Quantenforschung auf die Insel lockte. Unter ihnen gleich vier Physik-Nobelpreisträger: Alain Aspect (2022), Serge Haroche (2012), David Wineland (2012) und Anton Zeilinger (2022).
Im Gespräch mit dem geschäftsführenden Direktor des MPL und Leiter der Theorie-Abteilung, Professor Florian Marquardt sowie der Leiterin der Forschungsgruppe ›Quanten-Optoakustik‹, Professor Birgit Stiller, erfahren wir mehr über die Bedeutung des Symposiums und ihre Eindrücke vor Ort.
Herr Professor Marquardt, Sie waren einer der Hauptorganisatoren der Veranstaltung „100 YEARS OF QUANTUM MECHANICS“ neben Caslav Brukner (IQOQI, Wien), Steven Girvin und Jack Harris (beide YQI, Yale). Wie kam es dazu?
Prof. Marquardt: "2019 erwähnte mein Kollege Jack Harris, mit dem ich schon lange zusammenarbeite, dass 2025 dieses besondere Jubiläum stattfinden wird und regte an, auf Helgoland eine Konferenz zu organisieren. 2020, während der ersten Phase der Pandemie, haben wir dann ernsthaft mit der Organisation begonnen, indem wir die Nordseehalle reservierten. Ich habe noch niemals eine Konferenz mit so langer Vorlaufzeit organisiert, aber es hat gewiss geholfen, solch eine hochkarätige Schar von Experten aus aller Welt als eingeladene Sprecher und Panelteilnehmer zu gewinnen."
Die Welt der Quanten ist für Laien ein wenig greifbares, bisweilen sogar merkwürdiges Thema. Was hat Sie motiviert, was fasziniert Sie, in dieses Feld wissenschaftlich einzutauchen?
Prof. Marquardt: “Es sind zunächst einfach die fundamentalen Rätsel, die mich an diesem Gebiet begeistert haben. Im Laufe der Zeit habe ich mich dann auch für die Anwendungen interessiert, die heutzutage nicht mehr nur im Labor existieren, sondern wirklich Eingang in moderne Technologien finden.”
Sie sind als Direktor am MPL auch Leiter der Theorieabteilung. Könnte Sie die Rolle der Quantenwissenschaft in Ihrer Forschungsabteilung kurz skizzieren und Ihre Forschungsschwerpunkte nennen?
Prof. Marquardt: “Meine Forschungsgruppe befasst sich aktuell mit der Schnittstelle zwischen Künstlicher Intelligenz und Physik. Dabei ist eine ganz wichtige Anwendung der KI die Quantenphysik. Zum Beispiel kann KI dazu beitragen, Quantencomputer deutlich leistungsfähiger zu machen, indem neuartige Verfahren der Fehlerkorrektur automatisch entdeckt werden. Zugleich kann KI neuartige experimentelle Bausteine für Quantentechnologien erfinden. Aber auch auf die oben erwähnten fundamentalen Rätsel, speziell die merkwürdigen Korrelationen der Eigenschaften weit entfernter Teilchen im Einstein-Podolsky-Rosen Experiment haben wir die KI kürzlich angewendet.”
Frau Prof. Stiller, Sie leiten die Forschungsgruppe ›Quanten-Optoakustik‹. Wie haben Sie die Welt der Quanten für sich entdeckt?
Prof. Stiller: "Berührungspunkte mit der Quantenwelt hatte ich bereits während meiner Postdocstelle, als wir Quanten-Kommunikationssysteme ‚gehackt‘ haben. Heute interessiere ich mich gemeinsam mit meinem Team für die Wechselwirkung von Licht- und Schallwellen im Quantenbereich. Unser Ziel ist es, Konzepte für Quantentechnologien zu implementieren – beispielsweise Quantenmemory basierend auf akustischen Wellen oder die Verschränkung von Photonen und Phononen. Auch untersuchen wir, wie sich Quantenzustände aus Lichtfasern in die Akustik transferieren lassen und wieder zurück. Optische neuronale Netze, die wir mit akustischen Wellen zu kontrollieren versuchen, gehören ebenfalls zu unserem Forschungsfeld. Wir bezeichnen diesen Ansatz als optoakustisches neuromorphes Rechnen.”
Die Veranstaltung auf Helgoland hat zahlreich renommierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler angezogen. Was waren Ihre Programm-Highlights?
Prof. Marquardt: “Es war eindrucksvoll zu sehen, wie sich auch nach 100 Jahren die Geister noch an den Interpretationen der Grundlagen der Quantenphysik scheiden. Das trat sowohl in den öffentlichen Diskussionsrunden als auch den Vorträgen zu Tage, an denen im Übrigen auch vier Nobelpreisträger teilgenommen haben. Zugleich fasziniert mich der extrem schnelle Fortschritt in den Anwendungen. So haben wir beispielsweise sehr beeindruckende Ergebnisse zum Quantencomputing mit kalten Atomen gehört.”
Prof. Stiller: “Mich hat die Vielfalt der Vorträge beeindruckt – von Interpretationen bis hin zu den neuesten experimentellen Entwicklungen. Zum Beispiel das Gedankenexperiment im Talk ‚A Journey of Quantum Information‘ – was wäre passiert, wenn die Quantenmechanik zu einem anderen Zeitpunkt der Geschichte gefunden wäre. Auch ist Helgoland eine sehr kleine Insel und wir sind uns ständig über den Weg gelaufen – beim Abendessen, beim Mittagessen oder bei einer Wanderung auf dem Oberland, wie einst Heisenberg selbst. Jedes Mal ergaben sich spontane, sehr interessante Diskussionen, inspiriert durch die Talks oder Fragen der Teilnehmenden. Die Konferenz hatte fast etwas von einer Sommerschule – für Professorinnen und Professoren.”
Prof. Rainer Blatt, Wissenschaftlicher Direktor am IQOQI und Professor für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck, hat einen öffentlichen Vortrag für das Laienpublikum auf der Insel gegeben. Wie wichtig sind solche Veranstaltungen?
Prof. Marquardt: “Dieser Vortrag war ein Weg, den Bewohnerinnen und Bewohnern Helgolands etwas zurückzugeben, nachdem wir eine Woche lang ihre Insel in Beschlag genommen haben. Rainer Blatt ist ein hervorragender Sprecher, und seine Erklärungen zu Quantencomputern basierend auf einzelnen Ionen sind dementsprechend mit lebhaftem Interesse aufgenommen worden. Ich halte Öffentlichkeitsarbeit dieser Art für sehr wichtig, damit die Gesellschaft besser versteht, in welche Richtung sich die Wissenschaft entwickelt.”
Die Konferenz war zugleich eine Reise in die Vergangenheit und ein Blick in die Zukunft. Welcher Aspekt hat für Sie persönlich überwogen?
Prof. Stiller: “Beides. Es ist wichtig, die Vergangenheit zu verstehen, aber es ist auch faszinierend, wie weit Experimente gediehen sind. Die Studentinnen und Studenten werden in der Physik hervorragend wissenschaftlich ausgebildet – aber über die Menschen dahinter und ihre Geschichten ist meist wenig bekannt. Die Konferenz hat hier einen riesigen Bogen geschlagen und hat Forscher und Communities zusammen gebracht, die sich sonst selten treffen.”
Prof. Marquardt: “Der historische Teil, zu dem es einige Vorträge und Bemerkungen gab, war sehr interessant. Vorwiegend ging es jedoch um die aktuellen Entwicklungen, sowohl in der Grundlagenforschung als auch in zahlreichen Anwendungsfeldern. Insgesamt war es ein Ereignis, das wohl in dieser Form nur ganz selten stattfinden kann – etwas ganz Besonderes also.”
Konferenzorganisation:
Das Symposium wurde von Florian Marquardt (MPL), Časlav Brukner (IQOQI Wien), Steven Girvin (YQI, Yale) und Jack Harris (YQI, Yale) initiiert und organisiert. Die Organisatoren bedanken sich herzlich bei ihren jeweiligen Institutionen – insbesondere beim Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) und dem Yale Quantum Institute (YQI) – für die Unterstützung bei der Ausrichtung von Teilen der Veranstaltung und die logistische Unterstützung. Weitere Informationen zur Konferenz finden Sie auf der Website Helgoland 2025.
