Herr Pichler, was macht man als Quantenphysiker? - Panorama

Sie sind Professor für Theoretische Quantenphysik an der Universität Innsbruck. Wie würden Sie einem 8-jährigen Kind Ihren Job erklären? Hannes Pichler: Als Professor verbringe ich einen Großteil meiner Zeit mit Forschung. Ich leite ein Team von mehr als 10 Mitarbeitenden, mit denen ich verschiedene Projekte durchführe und Forschungsgelder einwerbe. Außerdem lehre ich an der Universität: Ich unterrichte Studierende und halte wissenschaftliche Vorträge, um unsere Ergebnisse einem Fachpublikum zugänglich zu machen. Was macht man aber als Quantenphysiker? Pichler: Wir erforschen Naturphänomene auf mikroskopischer Ebene. In der Quantenphysik untersuchen wir beispielsweise Atome und Moleküle und versuchen zu verstehen, wie sie sich verhalten. Was sind Atome? Was sind Quanten? Pichler: Atome sind die Bausteine der Materie. Sie bestehen aus einem Atomkern und Elektronen, die den Kern umkreisen. Der Begriff &bdquo;Quant“ beschreibt in der Physik, dass Elektronen nur auf bestimmten Bahnen um den Atomkern existieren können. Um ein Elektron von einer Bahn auf eine andere zu bringen, benötigt man eine genau definierte Energiemenge – das ist ein &bdquo;Quant“. Wenn ich heute Morgen einen Kaffee getrunken, meine WhatsApp-Nachrichten überprüft und mich dann ins Auto gesetzt habe, um zur Arbeit zu fahren, hatte ich da schon etwas mit Quantenphysik zu tun? Pichler: Ja, insbesondere beim Abrufen der WhatsApp-Nachrichten. Die Displays von Handys basieren auf Technologien, die ohne Erkenntnisse der Quantenmechanik nicht möglich wären. Wie prägt die Welt der Quanten unser Leben? Pichler: Die Quantenphysik ist auf mehreren Ebenen zentral. Auf einer fundamentalen Ebene sorgt sie überhaupt erst dafür, dass die Materie stabil ist und wir nicht einfach zerfallen. Auf einer praktischen Ebene nutzen viele moderne Technologien unser Verständnis der Quantenmechanik. Ein Beispiel sind Halbleiter, aus denen Computerchips gefertigt werden – sie basieren auf den quantenmechanischen Prinzipien, die vor 100 Jahren entdeckt wurden. Anlässlich dieses Jubiläums hat die UNO das Jahr 2025 zum &bdquo;Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie“ erklärt. Ihr Arbeitsort ist ein führendes Zentrum für die Entwicklung neuer Quantentechnologien. Sind besondere Aktivitäten geplant? Pichler: Ja, wir möchten dieses Jubiläum aktiv mitgestalten. &bdquo;Quantum Science Austria“, ein Zusammenschluss österreichischer Institutionen, plant landesweite Aktivitäten, um Quantenphysik einem breiteren Publikum näherzubringen – von Schulbesuchen durch Forscher bis hin zu Konferenzen und Workshops für Fachleute. Wie wird die Quantenphysik die Zukunft der Menschen beeinflussen? Pichler: Es ist schwierig, die Zukunft vorherzusagen. Es gibt jedoch viele vielversprechende Forschungsbereiche, von der Kommunikation über Messtechnik bis hin zu Quantencomputern. Was sind Quantencomputer? Pichler: Das sind Computer, die quantenmechanische Effekte nutzen. Dadurch können sie bestimmte Berechnungen durchführen, die für klassische Computer unlösbar wären – zum Beispiel in der Materialwissenschaft. Man hofft, damit Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften entwickeln zu können, wie Supraleiter, die Strom verlustfrei leiten. Und das ist einer Ihrer Forschungsschwerpunkte? Pichler: Genau. In Innsbruck arbeiten wir an der Entwicklung von Quantencomputern, die Atom für Atom aufgebaut werden. Einzelne Atome sind ideal für die Quanteninformationsverarbeitung, da sie sich von Natur aus nach den Gesetzen der Quantenmechanik verhalten. Werden Quantencomputer schon eingesetzt? Pichler: Ja, es gibt erste Prototypen, die in Forschungslabors, der Hightech-Industrie und Start-ups entwickelt wurden. Sie werden bereits in wissenschaftlichen Projekten eingesetzt. Wie ihre Zukunft genau aussieht, und wie Quantencomputer irgendwann verwendet werden, ist aber noch nicht klar. Es kann sein, dass Quantencomputer in Zukunft Teil von großen Rechenzentren werden. Im Moment sieht es jedenfalls nicht so aus, als würden Quantencomputer den Computer im Büro ersetzen. Wobei sie viel effizienter wären? Pichler: Quantencomputer können nur bestimmte Probleme schneller lösen – aber nicht alle. Effizient sind Quantencomputer bei vielen Problemen in der Physik, in der Chemie oder in den Materialwissenschaften, also bei Problemen die mit Quantenphysik zu tun haben. Wenn man Materialien mit bestimmten Eigenschaften entwerfen will, muss man komplizierte quantenmechanische Gleichungen lösen, bei denen klassische Computer sehr schnell an ihre Grenzen stoßen, während Quantencomputer diese effizient bewältigen können. Aber es gibt auch Gefahren... Pichler: Jede neue Technologie birgt Risiken. Ein Problem ist, dass Quantencomputer unser heutiges Verschlüsselungssystem knacken könnten. Allerdings sind derzeitige Prototypen noch nicht dazu in der Lage. Außerdem wissen wir auch, dass Quantentechnologien neue Verschlüsselungsmethoden ermöglichen, die selbst von Quantencomputern nicht geknackt werden können. Daher birgt die Quantenphysik nicht nur eine Gefahr für unser derzeitiges Verschlüsselungssystem, sondern zugleich auch die Lösung. Versteht man als Quantenphysiker die Welt besser? Pichler: Das kommt darauf an, was man unter &bdquo;Welt“ versteht. Die Welt der Quantenphysik versteht man wahrscheinlich besser. Aber die Welt ist insgesamt natürlich sehr viel reicher und vielfältiger. Und da hilft die Perspektive der Quantenphysik auch nicht immer weiter. Woran forschen Sie derzeit noch? Pichler: Ein großer Teil meiner Forschung beschäftigt sich mit dem Design von Quantencomputern und mit der Entwicklung verschiedener Komponenten von Quantenprozessoren. Aber wir forschen auch an fundamentalen Fragestellungen der Quantenphysik, und entwickeln Methoden um zu beschreiben wie Atome mit Licht interagieren. Einen weiteren Fokus legen wir auf Quantennetzwerke, eine Art quantenmechanische Version des Internets. Sie sind keine 40 Jahre alt und gehören zu den meistzitierten Forschern der Welt. Was ist das Spannende an der Quantenphysik? Pichler: Die Quantenphysik erlaubt es, die Welt auf eine völlig neue Weise zu denken. Diese Herausforderung fasziniert mich. Zudem hatte ich das Glück, dass ich beim Studium an der Universität Innsbruck direkt von weltweiten Koryphäen auf dem Gebiet der Quantenphysik lernen durfte, was das Forschungsgebiet für mich nochmal spannender gemacht hat. Was begeistert Sie noch? Pichler: Auf dem Gebiet der Quantenphysik passiert gerade weltweit sehr viel. Es macht Spaß ein Teil dieser Gemeinschaft zu sein und an vorderster Front zum Fortschritt beizutragen. Wie schalten Sie privat ab? Pichler: Wie wahrscheinlich viele Südtiroler bin ich gerne in den Bergen unterwegs. Das hilft mir abzuschalten und erdet mich. Zeit in der Natur und in den Bergen sind mir sehr wichtig. ZUR PERSON Der Physiker aus Natz-Schabs, Jahrgang 1986, ist seit 2020 Professor für Theoretische Physik mit Schwerpunkt Quantenoptik an der Universität Innsbruck. Nach seinem Physikstudium forschte er an der &bdquo;Harvard University“ und am &bdquo;California Institute of Technology“ in den USA, bevor er nach Innsbruck zurückkehrte. Für seine wissenschaftlichen Leistungen erhielt er mehrere Auszeichnungen, darunter 2023 den &bdquo;New Horizons in Physics Prize“, und 2024 den Ignaz L. Lieben-Preis, den ältesten Forschungspreis der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. EIN BESONDERES JAHR Im Jahr 1925 wurden die fundamentalen Gesetze der Quantenmechanik formuliert. Sie brachten technische Entwicklungen hervor wie LED-Leuchtmittel, Laser oder die Magnetresonanztomographie (MRT). Anlässlich dieses Jubiläums haben die Vereinten Nationen (UN) 2025 zum Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie erklärt. Mit vielen Aktivitäten weltweit will man auf die Bedeutung der Quantenphysik aufmerksam machen.