Die Maschine, die nicht stillstehen kann

Das Wissenschaftsmagazin Science kürte die erste Quanten-Maschine jetzt zum "Durchbruch des Jahres"

Die Quantenphysik erklärt zwar das Zusammenspiel des Universums im Kleinen und Kleinsten sehr gut, unternimmt aber keine Anstrengungen, uns ihr Verständnis zu erleichtern. Wie eine Diva überrascht sie uns mit Absonderlichkeiten, die dem gesunden Menschenverstand zuwider laufen. Ein Objekt, das sich zugleich hier und dort befindet und das Energie nur in diskreten Schritten aufnimmt? Mein Haus, mein Auto, mein Boot halten sich an solch widersinnig erscheinende Regeln nicht. Auf halbem Wege zwischen Mikro- und Makrowelt findet offenbar ein Übergang statt, über dessen wahre Natur sich die Wissenschaft bis heute nicht ganz einig ist.

Doch wie weit lassen sich Experimente mit der Quantennatur treiben? Forscher haben sie längst an allen möglichen winzigen Objekten ausprobiert. Atome, Moleküle, aber auch Licht oder elektrische Ströme verhalten sich, wie es die Quantenmechanik beschreibt. An mit bloßem Auge sichtbaren, aus einer größeren Anzahl von Atomen bestehenden Objekten sind sie bisher gescheitert. Bis zum März 2010, als Forscher der University of California eine Beschreibung ihrer Quantenmaschine veröffentlichten. Sie besteht aus einem mit einer Aluminiumschicht bedeckten Streifen aus dem piezoelektrischen Material Aluminiumnitrid. Das „Gerät“ vibriert mit einer Eigenfrequenz von sechs Gigahertz, dabei erzeugt es über den Piezoeffekt ein messbares elektrisches Feld.

Diesen Resonator koppelten die Forscher bei Temperaturen sehr nahe dem Nullpunkt mit einem supraleitenden Qubit, das genau zwei Zustände besitzt. Über diesen Umweg konnten die Wissenschaftler ihrer Maschine Energie in kleinsten Häppchen zuführen beziehungsweise daraus entnehmen. Bei wenigen hundertstel Kelvin, so zeigte sich, gelang es nicht mehr, dem Objekt Energie zu entnehmen - es hatte offenbar seinen energetischen Grundzustand erreicht. Doch noch immer bewegte sich das Plättchen mit seiner quantenmechanischen Nullpunktenergie (wie am vom piezoelektrisch erzeugten Feld nachweisbar).

Ebenso gelang es den Wissenschaftlern, dem System ein einzelnes Energiequantum zuzuführen - und schließlich konnten sie auch eine Überlagerung der beiden Zustände, Grundzustand und erster Anregungszustand, erreichen - die Maschine verhielt sich eindeutig quantenmechanisch. Interessant ist die Erfindung zum einen, weil sie eventuell als überaus empfindlicher Sensor einsetzbar ist. Zum anderen ergibt sich aber auch die spannende Möglichkeit, die Grenzen der Quantenphysik zu testen: Wie groß kann eine Quantenmaschine sein, Mikro-, Milli-, Kilometer?

Die übrigen Top Ten

Auf den Plätzen des aktuellen Science-Rankings folgten:

2. Synthetische Biologie: 2010 gelang es dem Team um Craig Venter zum ersten Mal, einem Bakterium eine komplett synthetische DNA einzuschleusen (siehe Künstliches Genom eines Bakteriums geschaffen).

3. Neandertaler-Genom: Die Sequenzierung von DNA-Resten aus Knochen dreier weiblicher Neandertaler erlaubten erste systematische Vergleiche mit dem Erbgut des modernen Menschen (siehe Liebesgrüße vom Neandertaler).

4. HIV-Prophylaxe: Zwei Versuche der Vorbeugung einer HIV-Infektion erwiesen sich im vergangenen Jahr als erfolgreich: Ein Vaginalgel mit dem AIDS-Medikament Tenofovir verringerte die Infektionsrate bei Frauen um 39 Prozent, während eine tägliche orale Gabe eines Kombinationsmedikaments die Infektionsrate bei Männern um 43,8 Prozent reduzierte.

5. Exom-Sequenzierung für seltene Krankheiten: Forschern ist es gelungen, mit einer neuen Methode den genetischen Ursachen einiger seltener Krankheiten auf die Spur zu kommen. Statt komplette Vererbungsmuster zu studieren, sequenzierte man nur die eiweißcodierenden Teile der DNA erblich belasteter Patienten.

6. Simulation molekularer Dynamik: Die Art und Weise zu kennen, wie sich Eiweiße falten, ist der Schlüssel zum Verständnis vieler Krankheiten. 2010 konnten die Forscher mit Supercomputerhilfe hier neue Einblicke gewinnen.

7. Quanten-Simulator: Der Quanten-Simulator ist ein Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer: Künstliche, laserbeschienene Kristalle können Probleme der Festkörperphysik besser lösen als mathematische Gleichungen.

8. Genomforschung der nächsten Generation: Der Weg zum 1000-Dollar-Genom ist nicht mehr lang - mit Vorhaben wie dem in diesem Jahr gestarteten 1000-Genom-Projekt wird die Technik optimiert.

9. RNA-Neuprogrammierung: Der Ethik-Diskussion um die Verwendung von Stammzellen entgeht man, wenn es gelingt, adulte Zellen in ihren Ausgangszustand zu versetzen. Als schneller und bequemer Weg erwies sich dabei die Verwendung von RNA - zudem zeigte sich, dass die so erzeugten pluripotenten Zellen embryonalen Stammzellen ähnlicher sind als auf anderem Weg erzeugte.

10. Die Rückkehr der Ratte: Die Ratte wäre eigentlich ein besseres Modelltier für den Menschen als die Maus. Bisher hatte die Labormaus allerdings einen großen Vorsprung, weil sich mit einer inzwischen routinemäßig beherrschten Technik bestimmte Gene ausschalten lassen - das Ergebnis sind so genannte Knock-out-Mäuse. Verschiedene 2010 erschienene Arbeiten übertragen das Konzept nun auf den größeren Nager - die Knock-out-Ratte scheint nicht mehr fern.