Quanteneffekte, wie Verschränkung, Interferenz oder Quantenstatistik, könnten Maschinen effizienter oder leistungsfähiger machen. „Allerdings können die besonderen Gesetze der Quantenphysik die Leistungsfähigkeit von Maschinen auch behindern“, sagt Professor Artur Widera, der an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) das Lehrgebiet Individual Quantum Systems leitet. Für seine Forschungsarbeiten wird er für fünf Jahre nun mit 2,5 Millionen Euro vom Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert – im Rahmen eines ERC Advanced Grant.

„Wir wollen herausfinden, wie Quanteneigenschaften die Leistungsfähigkeit von mikroskopischen Maschinen verändern, beziehungsweise wie die Eigenschaften von mikroskopischen Maschinen in der Quantenwelt genau aussehen und beschrieben werden“, schildert Widera die mit der Förderung anstehenden Forschungsvorhaben. Zudem möchten er und sein Team technologisch die grundlegenden Mechanismen für den Betrieb von Maschinen verstehen und in experimentellen Realisierungen maßschneidern. „Und wir wollen Maschinen bauen, sowohl Einzelatom-Maschinen als auch Vielteilchenmaschinen, die nach den Gesetzen der Quantenphysik betrieben werden und dabei sowohl Arbeit erzeugen als auch autonom laufen.“

Betrieb einer Einzelatom-Maschine realisiert

In den vergangenen Jahren konnte Artur Widera grundlegende Quantenmechanismen für den Betrieb solcher Maschinen realisieren: „Eine klassische Maschine funktioniert zum Beispiel, in dem das Arbeitsmedium, beispielsweise Kraftstoff, periodisch aufgeheizt und abgekühlt wird. Wir konnten diesen klassischen Mechanismus ersetzen durch fundamental quantenmechanische Mechanismen.“ So konnten die Forschenden um Widera bereits eine Einzelatom-Maschine betreiben, bei der der Treibstoff nicht in Form von thermischer Energie vorliegt, sondern in Form von Spin-Polarisation eines Quantenbades.

Widera und sein Team verwenden ultrakalte Atome, die es ermöglichen, sowohl einzelne Atome als auch Quanten-Vielteilchensysteme sehr gut zu kontrollieren. In solchen Systemen kann eine Maschine betrieben werden, indem – wie in einem klassischen Motor – der Container (im Motor der Zylinder) für das Arbeitsmedium (ein Quantengas oder einzelnes Atom) im Volumen geändert wird und periodisch dazu Energieänderungen vorgenommen werden. „Um nun Quanteneffekte zu studieren, kann das Bad in verschiedensten quantenmechanischen Zuständen präpariert und deren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines solchen Motors untersucht werden.“ Um Arbeit aus der Maschine zu extrahieren, müsse die Anregungsenergie von atomarer Form in photonische und weiter in mechanische Formen umgewandelt werden. „Um schließlich einen autonomen Betrieb zu gewährleisten, müssen Rückkopplungsmechanismen entwickelt und eingebaut werden, die allerdings den eigentlichen Quantenzustand nicht zerstören dürfen.“

Fasziniert von Quantensystemen

Das Thema sei quasi zwingend, charakterisiert Widera das Forschungsvorhaben. Denn die zunehmende Miniaturisierung – man denke nur an immer kleiner werdende Computer – bringe unweigerlich die Frage auf, „wie die kleinste Maschine aussehen kann, was die absolute Grenze von Effizienz ist“, und ob man mithilfe von Quanteneffekten eine bessere Maschine bauen könne.

Wie wird sich das Forschungsfeld in den nächsten fünf bis zehn Jahren entwickeln? Es könne sein, dass Forschende es schaffen, Quantenmaterie zu „aktivieren“ und damit neue Wege erschließen, wie Quantenmaterialien sich selbstorganisiert anordnen oder neue Phasen der Materie einnehmen. Als Nicht-Physiker könne man sich dies ähnlich wie einen Vogelschwarm vorstellen: Quantenteilchen, die sich sammeln und gemeinsam eine Richtung einschlagen. Artur Widera: „Die Vision ist, eigenständig arbeitende Quantenmotoren zu bauen, deren besondere Eigenschaften und Anwendungen wir erforschen wollen.“ Der Physiker, der seit 2010 als Professor in Kaiserslautern wirkt, ist mehr als begeistert von seinem Forschungsfeld: „Das Verhalten von Quantensystemen zu sehen fasziniert mich immer noch völlig“.