Prof. Dr. Roman Schnabel – Projekt „MassQ

Prof. Dr. Roman Schnabel – Projekt „MassQ

Prof. Dr. Roman Schnabel promovierte 1999 am Institut für Atom- und Molekülphysik der Universität Hannover (Prof. M. Kock). Das Ziel seiner Arbeit war die Entwicklung eines Messverfahrens für Lebensdauern und Übergangswahrscheinlichkeiten schwerverdampfbarer, astrophysikalisch interessanter Metallatome. Mit den Ergebnissen seiner Experimente konnte in Zusammenarbeit mit der Universität Kiel die Eisenhäufigkeit der Sonnenphotosphäre neu bestimmt werden. Im Anschluss an seine Promotion wechselte er von der Laserspektroskopie in die Quantenoptik. Von 2000 bis 2002 hatte er ein Feodor-Lynen Forschungsstipendium der Alexander-von-Humboldt-Stiftung, um an der Australian National University (Prof. H.-A. Bachor) mit Laserlicht ein Quantenteleportationsexperiment durchzuführen. Zurück in Deutschland war er von 2003 bis 2008 Juniorprofessor für Nichtklassische Interferometrie am Institut für Gravitationsphysik der Universität Hannover (Prof. K. Danzmann) und im Anschluss Professor für Laserinterferometrie (W2). In dieser Zeit entwickelte er einen neuen Lasertypus, der im Gegensatz zu allen herkömmlichen Lasern Lichtteilchen mit wohlgeordneter Statistik produziert. Seit 2010 wird dieser Laser erfolgreich im Gravitationswellendetektor GEO600 verwendet. Für 2018 ist geplant, dass diese neue Technologie auch in Advanced LIGO in den USA eingebaut wird. Für seine Arbeit erhielt er 2013 den Joseph F. Keithley Award der American Physical Society. 2014 nahm er den Ruf der Universität Hamburg auf die W3-Professur für Nichtlineare Quantenoptik an, was ihm nun die Möglichkeit bietet, seine Forschung bezüglich Gravitationswellendetektion, Quantenkryptographie und den fundamentalen Fragen der Quantenphysik deutlich zu intensivieren. Seit 2013 ist Prof. Schnabel Vorsitzender der Arbeitsgruppe „Quantenrauschen“ der LIGO Scientific Collaboration (LSC). Zusammen mit allen Mitgliedern der LSC erhielt er 2016 den Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics und den Gruber Cosmology Prize für die erste Beobachtung von Gravitationswellen. 

ERC Projekt „MassQ“

Das Besondere der Quantenphysik ist die Existenz von „Verschränkung“. Sie ist experimentell nachgewiesen, aber entbehrt jeglicher Analogie in der klassischen Physik. Über viele Jahrzehnte wurde diskutiert, wie Verschränkung zu interpretieren ist und welche Konsequenzen aus ihrer Existenz abzuleiten sind. Inzwischen sind diese Fragen weitgehend gelöst.

Die beste Veranschaulichung für Verschränkung, die ich bisher entwickeln konnte, ist folgende. Man werfe ein Objekt, von dem man weiß, dass es sich im Fluge in zwei ideale Würfel teilen wird, hoch in die Luft. Das Wort „ideal“ bedeutet hier, dass die Seiten, auf der die Würfel zu liegen kommen, nicht vorherbestimmt sondern echt zufällig sind. Nachdem man die Würfel wiedergefunden hat, liest man ihre Augenzahlen ab und wirft erneut. Die beiden Würfel sind nun maximal verschränkt, wenn sie immer, dass heißt, nach jedem Wurf, die gleiche Augenzahl zeigen. (Verschränkung im Allgemeinen ist gezeigt, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Pasches signifikant höher liegt als 1/6).

Verschränkte Photonen und verschränkte atomare Teilchen konnten bereits in vielen Experimenten erzeugt werden. Ziel von MassQ ist es, zwei Spiegel von je 100g Masse miteinander zu verschränken. Die Spiegel sind dazu als Pendel aufgehängt. Ein intensiver Laserstrahl wird von beiden Spiegeln reflektiert, regt diese zu Pendelschwingungen an und koppelt ihre Bewegung durch seinen Strahlungsdruck. Nach wenigen Millisekunden wird die Kopplung durch den Laserstrahl wieder abgeschaltet, so dass beide Spiegel frei weiterpendeln können. Abschließend werden mit anderen Laserstahlen zu synchronisierten Zeiten präzise die individuellen Orte oder Impulse der Spiegel vermessen. (Bei den Ortsmessungen geht es um die Auslenkung der Pendel aus ihren Ruhelagen, bei den Impulsmessungen um die Geschwindigkeit der Spiegel als Abweichung von null.) Damit das Experiment gelingt, müssen die Messungen so präzise sein, dass sie selbst die quantenmechanische Orts- und Impulsunschärfe der Spiegel sichtbar machen würden. Statt quantenmechanischer Unschärfen wird man aber stark fluktuierenden Wert messen. Wenn das Experiment gelingt, zeigen sowohl die Beträge der Ortsmessungen als auch die der Impulsmessungen eine präzise Übereinstimmung – ähnlich der Augenzahlen der Würfel – die so gut ist, dass das Zufallselement der quantenmechanischen Unschärfe außer Kraft gesetzt scheint.

MassQ untersucht fundamentale Aspekte der Physik. Bei einem Erfolgt wird gezeigt, dass die Quantenphysik sich nicht nur auf den Mikrokosmos sondern auch auf makroskopische Objekte bezieht.