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Mathematische Beschreibung der Quantenphysik

Quantenphysik ist die umfassende Theorie der mikrophysikalischen Wirklichkeit. Eine bisher für rein theoretisch gehaltene mathematische Neuformulierung ist nun experimentell nachgewiesen worden.

Die Quantenphysik ist die umfassende Theorie der mikroskopischen Materie und ihrer Wechselwirkungen, zum Beispiel mit Licht. Sie kann erklären, wie Laserlicht möglich ist und wie Halbleiterchips funktionieren. Ohne Quantenphysik wäre alle Elektronik, vom Fernseher bis zum Hochleistungscomputer, undenkbar. Es gäbe keine Augenlasertherapie und keine Lichtleittechnik für unsere Kommunikationsnetze.

Friederike Klauck und Lucas Teuber von der Universität Rostock ist es nun gelungen, experimentell zu belegen, dass eine bisher als exotisch bekannte mathematische Formulierung der Quantenphysik zu neuen experimentellen Ergebnissen führt. „Was das für künftige Entwicklungen auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik, Materialtechnik oder Computertechnik bedeutet, ist überhaupt noch nicht absehbar“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Festkörperoptik an der Universität Rostock, Professor Alexander Szameit. Sein Kollege von der theoretischen Physik, Institutsleiter Professor Stefan Scheel, ergänzt: „Die bisher bekannte Quantenphysik operiert auf der Grundlage einer mathematischen Theorie, die starke Voraussetzungen macht, damit es überhaupt zu realen Messwerten kommt, die für unsere Wirklichkeit eine Bedeutung haben.“ Diese theoretischen Grenzen seien damit überschritten worden. Nun könne auch gemessen und vor allem erklärt werden, was vorher rätselhaft war, ja was es in gewissem Sinne gar nicht geben könne, sagt Scheel.

Friederike Klauck begann bereits in ihrer Masterarbeit in der Arbeitsgruppe von Szameit mit der Untersuchung dieses exotischen Systems, die Umsetzung des Experiments hielt einige Herausforderungen bereit. Mikroskopische Schaltkreise für Licht mussten in einem Glaschip über viele Zentimeter mit höchster Präzision erzeugt werden. Zusätzlich arbeiteten die Rostocker Physiker mit Paaren verschränkter Photonen. „Normalerweise will man, dass so viele Photonen wie möglich die Detektoren erreichen. Damit die neuartige Quantenphysik ihre Effekte zeigt, mussten wir jedoch dafür sorgen, dass unterwegs einige der Teilchen auf bestimmte Art verloren gehen.“ Für eine bessere mathematische Beschreibung holte sie sich Unterstützung von ihrem Kollegen Lucas Teuber: „Unsere Theorie beschreibt den Einfluss der präzise gesteuerten Verluste auf die verschränkten Photonen. Das Ergebnis ist selbst für jemanden, der mit der Quantenphysik vertraut ist, äußert überraschend und lässt sich nur im Rahmen der neuartigen mathematischen Beschreibung verstehen.“

von mn

Originalveröffentlichung: 

[F. Klauck, L. Teuber, M. Ornigotti, M. Heinrich, S. Scheel, A. Szameit, Observation of PT-symmetric quantum interference, Nat. Photonics (2019), DOI: 10.1038/s41566-019-0517-0]

www.uni-rostock.de 

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