Quantenforschung 2. Ein Forscherteam von Uni Wien, Uni München und MIT erhält einen ERC Synergy Grant über 9 Mio. Euro, um den Einfluss der Schwerkraft auf Lichtquanten zu untersuchen.
Das Forscherteam der Universität Wien, der Universität München und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA erhält einen ERC Synergy Grant in Höhe von fast 9 Millionen Euro für den Aufbau eines hochempfindlichen Quantenexperiments, mit dem der Einfluss der Schwerkraft auf Lichtquanten untersucht werden kann, so die Uni Wien.
„Gravites“ – Erforschung der Gravitation quantenverschränkter Teilchen
Nach unserem derzeitigen Verständnis werden die Gesetze unseres Universums durch zwei Haupttheorien beschrieben, die Quantenfeldtheorie und die allgemeine Relativitätstheorie. Beide Theorien sind in ihrem Geltungsbereich und ihrer Methodik sehr unterschiedlich und wurden getrennt voneinander mit erstaunlicher Genauigkeit getestet – doch gelang es bis jetzt nicht, die Brücke zwischen ihnen zu schlagen. Seit vielen Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler*innen nun, das Zusammenspiel dieser Theorien zu verstehen, um die grundlegenden Mechanismen unserer Welt zu ergründen und den Boden für neue Technologien zu bereiten, schildert die Uni Wien in einer Aussendung die Ausgangslage.
Die Quantenfeldtheorie in der gekrümmten Raumzeit liefere das erwartete Modell für diese Wechselwirkung. Bislang gebe es jedoch keine Experimente, die das Zusammenspiel zwischen diesen Theorien jenseits der prä-Einsteinschen Physik testen.
Piotr Chruściel ©Barbara Mair
Der ERC Synergy Grant „Gravites“ werde nun einen neuen Weg einschlagen und experimentell untersuchen, wie die Quantenverschränkung durch die Schwerkraft beeinflusst wird. Die Quantenverschränkung ist eine elementare, aber dennoch bizarre Eigenschaft der Quantenphysik, die es zwei oder sogar mehr Teilchen ermöglicht, stärkere Korrelationen aufzuweisen als klassischerweise erlaubt. Wenn zwei Teilchen verschränkt sind, kann die „spukhafte Fernwirkung“ – wie Einstein es nannte – beobachtet werden: Sobald der Quantenzustand eines Teilchens gemessen wird, ändert sich der Zustand seines verschränkten Partners entsprechend, unabhängig davon, wie weit die beiden verschränkten Teilchen voneinander entfernt sein mögen.
Das Projekt
Gravites, unter der Leitung von Philip Walther von der Universität Wien, baut laut den Angaben auf den ersten Ergebnissen der interfakultären Forschungsplattform Turis an der Universität Wien auf, die seit sechs Jahren neue Ideen zu den großen Fragen der Schnittstellen zwischen Quantenphysik und Gravitation entwickelt und die nun mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zu einem Forschungsverbund erweitert worden ist.
Der ERC Synergy Grant bringe nun Wissenschafter*innen aus Europa und den USA mit komplementärem Fachwissen zur Messung der Gravitationseigenschaften von verschränkten Lichtquanten, d.h. einzelnen Photonen, zusammen. Eine Schlüsseleigenschaft optischer Quantensysteme ist die Tatsache, dass Photonen masselos sind. Dies zwinge dazu, die allgemeine Relativitätstheorie zu verwenden, um die Gravitationseigenschaften des Systems zu beschreiben.
Da Photonen sehr schwach mit der Schwerkraft wechselwirken, muss das ERC-Team ein extrem präzises faseroptisches Interferometer bauen, in dem verschränkte Photonen bei der Ausbreitung durch 40 km lange Glasfasern verschiedenen Gravitationseinflüssen ausgesetzt werden. Um den Einfluss der Gravitation auf die verschränkten Photonenpaare zu messen, muss das Experiment in der Lage sein, Längenschwankungen zu messen, die etwa 100-mal kleiner sind als der Radius eines Atoms.
Die Arbeitsgruppen
Um diesen hohen Präzisionsgrad zu erreichen, bringt der ERC Synergy Grant zwei experimentelle und zwei theoretische Gruppen zusammen:
- Das Experiment selbst wird von den Teams von Nergis Mavalvala vom MIT und dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) als Experte für Präzisionsinterferometrie und von Philip Walther, dessen Expertise in der Quantenkontrolle verschränkter Photonen liegt, aufgebaut.
- Diese Vision werde von renommierten Forschern auf dem Gebiet der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenfeldtheorie unterstützt, und zwar durch Piotr Chruściel von der Universität Wien und Gia Dvali von der LMU München.
Innerhalb der nächsten sechs Jahre will das ERC-Team eine Schlüsselfrage der Wissenschaft beantworten: ob verschränkte Quantenzustände die Vorhersagen der relativistischen Quantenfeldtheorie in einer gekrümmten Raumzeit erfüllen. „Dieser ERC Synergy Grant wird es uns ermöglichen, zum ersten Mal zu beobachten, wie verschränkte Zustände gravitieren“, sagt Philip Walther.
Zusätzlich zur großen grundlegenden Bedeutung werde die in diesem Projekt entwickelte Technologie auch für andere Forschungsbereiche wie die Quantenkryptographie und die Quantenmetrologie sowie die relativistische Geodäsie und die Frequenzübertragung von Nutzen sein.
Freude beim neuen Rektor
„Dieser ERC Grant zeigt einmal mehr eindrucksvoll, dass die Universität Wien einen erfolgreichen Kurs in Sachen Spitzenforschung fährt“, so Rektor Sebastian Schütze: „Insbesondere die Quantenphysik demonstriert schon seit vielen Jahren die internationale Wettbewerbsfähigkeit unserer Universität mit zahlreichen Grants und Förderungen. Herzliche Gratulation an Philip Walther und Piotr Chruściel zu ihrem exzellenten Forschungsprojekt und diesem besonders prestigeträchtigen Grant.“
Die handelnden Personen
- Philip Walther promovierte 2005 in Physik an der Universität Wien. Nach einem dreijährigen Postdoc-Aufenthalt an der Harvard University kehrte er 2008 an die Universität Wien zurück, wo er seit 2015 als Professor für Physik tätig ist. Seine Forschung widmet sich laut Uni der Entwicklung fortschrittlicher Quantentechnologie für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und für fundamentale Untersuchungen in der Quantenwissenschaft. Walther ist derzeitiger Sprecher der Quantengruppe an der Fakultät für Physik und des interinstitutionellen Forschungsverbundes für „Quantum Aspects of Space Time (Turis)“.
- Piotr Chruściel promovierte 1986 an der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau. Im Jahr 2012 verließ er eine Stelle an der Universität Oxford, um die Gruppe für Gravitationsphysik an der Universität Wien zu leiten, wo er in den letzten zwei Jahren auch als Vizedekan der Fakultät für Physik fungierte.
