Quantenphänomene sind nicht leicht nachzuvollziehen, könnten aber für bisher unklare Funktionsweisen in der Natur verantwortlich sein. Etwa dafür, dass die Energieproduktion in Pflanzen so gut funktioniert, obwohl es viele Störfaktoren gibt.

Christine Maier vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Innsbruck erforscht die Grundlagen solcher Phänomene anhand von Quantensimulationen.

Mit einem Quantensimulator lässt sich zwar nicht jede beliebige Berechnung durchführen, wie es bei einem Quantencomputer der Fall sein soll. Dennoch können die Eigenschaften, die in Quanten stecken, genutzt werden, um etwa Systeme aus der Natur zu simulieren. Darunter fallen Energie-Transport-Phänomene, die auch bei der Fotosynthese eine wichtige Rolle spielen.

Maier veröffentlichte zuletzt eine Arbeit, in der sie mit Kollegen zehn Kalziumionen aneinanderhängte – ein Zehn-Quanten-Netzwerk – und Störeffekte simulierte. "Die Ionen – oder Quanten – kann man sich vorstellen wie eine Perlenkette. Über elektrostatische Kräfte sind sie miteinander verbunden. Wenn man ein Ion mit einem Laser anregt, kann man erkennen, wie diese Schwingung durch die ganze Kette läuft", erklärt die 30-jährige Forscherin.

Sichtbar wird das per Kamera, es gibt zwei unterschiedliche Zustände: angeregt und nicht angeregt, das heißt, dunkel und hell.

Unordnung mit Unordnung bekämpfen

Zur Darstellung von Störeffekten wurden die einzelnen Ionen nun unterschiedlich stark in Bewegung gebracht. Diese Unruhe verursacht Interferenzen, welche die weiterzugebende Energie abschwächen oder ganz blockieren. Theoretische Physiker sagten allerdings voraus, dass ein gewisses Hintergrundrauschen solchen Störungen entgegenarbeiten kann.

Unordnung mit Unordnung bekämpfen – was im Alltag kontraproduktiv erscheint, erwies sich in der Praxis der Quantentransporte als real und hilfreich. Der Fachbegriff für das Phänomen, das auch in diesem Ionennetzwerk unter kontrollierten Bedingungen dargestellt werden konnte, lautet umgebungsunterstützter Quantentransport (ENAQT).

Der nächste Schritt für Maier ist ihre Doktorarbeit. Anschließend kann sie sich vorstellen, an das Uni-Start-up Alpine Quantum Technologies GmbH zu wechseln, das ihr Betreuer Rainer Blatt mitgegründet hat. Hier sollen Quantencomputer gebaut und optimiert werden, der österreichische Staat stellt dafür seit vergangenem Jahr zehn Millionen Euro zur Verfügung. Eine Laufbahn als Professorin strebt Maier aktuell nicht an, da gäbe es "zu viel zu schreiben und zu wenig zu schrauben".

Einen Ausgleich zum Arbeitsalltag findet sie beim Skifahren und Wandern in der Natur: "Unsere Labors haben kein Tageslicht, weil Laserlicht nicht nach draußen dringen darf. Umso wichtiger ist es, nach Feierabend und an den Wochenenden den Kopf frei zu bekommen, sonst wird man ganz verrückt."

Dass nicht nur ihr das ein Bedürfnis ist, merkt man an ihrer sehr sportlichen Forschungsgruppe. Auch die Ruhe, die man auf Berggipfeln findet, trägt zur Entspannung bei. Dafür ist Innsbruck ein idealer Standort. (Julia Sica, 14.4.2019)