Physik Journal 12 / 2022

Erwin Schrödinger prägte mit „Verschränkung“ den Begriff für ein Phänomen der Quantenphysik, das auch heute noch tiefgehende Fragen aufwirft, aber gleichzeitig zu einer der wichtigsten Ressourcen der Quantentechnologie geworden ist [1]. Albert Einstein wies 1935 zusammen mit Boris Podolsky and Nathan Rosen anhand ihres berühmten Gedankenexperiments [2] darauf hin, dass der lokal-realistische Standpunkt der klassischen Physik bei der Verschränkung infrage gestellt wird. Ein möglicher Ausweg wäre es, den Teilchen individuelle Eigen­schaften zuzuschreiben, die in „verborgenen Variablen“ definiert sind. Diese Variablen würden das Verhalten bei Messungen steuern und damit den quantenmechanischen Zufall vortäuschen. Allerdings – darauf hat Einstein bereits hingewiesen – wäre für die Beschreibung verschränkter Paare auch eine „spukhafte Fernwirkung“ notwendig, um die Information schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu übermitteln.

John F. Clauser und Stuart Freedman (1944 – 2012) befassten sich Anfang der 1970er-Jahre an der UC Berkeley mit Bells Ideen. In ihrem Experiment [4] werden jeweils die Photonenpaare, die bei einer Zerfallskaskade im Kalzium entstanden, auf einen ­Polarisator geleitet (parallele Glasplatten unter Brewster-Winkel), der nur eine bestimmte (lineare) Polarisationsrichtung durchlässt. Damit gelang Clauser und Freedman ein Analogon zum Stern-Gerlach-Experiment, mit dem sie zeigen konnten, dass die gemessenen Korrelationen gegen Freedmans Variante der Bell-Ungleichung verstießen und somit einen starken Hinweis dafür lieferten, dass sich die Quantenmechanik nicht durch eine lokale Theorie mit versteckten Variablen (engl.: local hidden-variable (LHV) theory) ersetzen ließ. (...)
Den Weg aus den reinen Gedankenexperimenten wies in den 1960er-Jahren der irische Theoretiker John Stewart Bell [3]. Er entwickelte die nach ihm benannte mathematische Ungleichung, die besagt, dass bei Vorhandensein verborgener Variablen und ohne spukhafte Fernwirkungen die Korrelation zwischen den Ergebnissen von Messungen an einer großen Zahl von Teilchenpaaren niemals einen bestimmten Wert überschreitet. Die Quantenmechanik sagt jedoch voraus, dass die Messergebnisse von verschränkten Teilchenpaaren gegen die Bellsche Ungleichung verstoßen und es daher erlauben, die Gültigkeit lokal-realistischer Konzepte zu überprüfen.

Als vor 130 Millionen Jahren in der Kreidezeit die Dinosaurier auf der Erde herrschten und die heutigen Kontinente allmählich auseinanderdrifteten, ereignete sich in der fernen Galaxie NGC 4993 ein faszinierendes Naturschauspiel: Zwei Neutronensterne verschmolzen miteinander. Neutronensterne wurden 1967 von Jocelyn Bell Burnell entdeckt. Als Endstadium des Lebenszyklus von Sternen mit einer Masse zwischen 8 und 25 Sonnenmassen (M⊙) entstehen sie in gewaltigen Supernova-Explosionen [1] – leichtere Sterne enden als Weiße Zwerge, schwerere kollabieren zu Schwarzen Löchern. Typische Neutronensterne haben eine Masse von 1,4 M⊙, komprimiert in einem kompakten Objekt mit einem Radius von etwa zwölf Kilometern. Daraus ergibt sich eine mittlere Dichte in der Größenordnung der Kernsaturierungsdichte von 2,7 · 1014 g/cm3: Dichter lassen sich Neutronen und Protonen in Atomkernen nicht zusammenpacken. Aufgrund der Gravitation können im Zentrum von Neutronensternen sogar Werte von 1015 g/cm3 auftreten. In Neutronensternen ist aber nicht nur die Materie unglaublich dicht gepackt. Sie weisen die stärksten bekannten Magnetfelder auf, rotieren mit Frequenzen von bis zu 1 kHz, und ihre Kruste stellt das härteste Material im Universum dar [2]. In vielerlei Hinsicht liegt dort die extremste Form von Materie vor, die sich direkt beobachten lässt.
Aus der hohen Dichte resultieren extreme Gravitationsfelder, welche die Newtonsche Gravitationstheorie nicht mehr beschreiben kann: In Neutronensternen gelten die Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie. Um die Eigenschaften von Neutronensternen zu berechnen, ist es notwendig, die Gleichungen von Richard C. Tolman, J. Robert Oppenheimer und George M. Volkoff (TOV-Gleichungen) zu lösen. Als einziger Input dient die Zustandsgleichung (Infokasten): Sie beschreibt, wie sich der Druck P(є,T ) der Materie als Funktion von Energiedichte є und Temperatur T verhält. Die Lösung der gekoppelten TOV-Differentialgleichungen ergibt den Druck- und Dichteverlauf im Neutronenstern und so den Radius als Funktion der Masse, die Masse-Radius-Beziehung. (...)

Ausgangspunkt sind die kleinsten Bausteine von Quantenprozessoren, die Qubits. Diese Quantensys­teme mit zwei Zuständen speichern Information – aber nicht wie ein herkömmlicher Rechner binär kodiert, sondern im Wahrscheinlichkeitsintervall von 0 bis 1. Im Mittelpunkt des Interesses stehen bei ML4Q Majorana-Zustände: Diesen Zuständen entsprechen Quasiteilchen, die sich zum Beispiel in Supraleitern aus einem Teilchen und einem Loch zusammensetzen und wie ihr Pendant in der Teilchenphysik gleich ihren Antiteilchen sind. Ob sich Majorana-Qubits tatsächlich realisieren lassen, ist noch unklar. Falls sie existieren, könnten sie gegen Störungen topologisch geschützt sein. Denn ihre Geometrie sorgt dafür, dass ein äußeres Magnetfeld nicht zu Dekohärenz und damit dem Verlust der Information führt. 
Dem Exzellenzcluster ML4Q gehören 61 Principal Investigators an, die an sieben Institutionen forschen. Die Universität zu Köln, die RWTH Aachen, die Universität Bonn und das Forschungszentrum Jülich haben den Clus­ter gemeinsam eingeworben; einige Forschende arbeiten auch an den Fraunhofer-Instituten für Lasertechnologie ILT in Aachen und für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in Wachtberg sowie an der Universität Düsseldorf. Diese Kombination stellt eine einzigartige Konstellation in räumlicher Nähe dar. Während in Köln vor allem die Theorie sehr stark vertreten ist und über eine weltweit führende Expertise verfügt, die Düsseldorf noch erweitert, stellt das Forschungszentrum Jülich modernste Hardware-Ressourcen bereit. Die Standorte Aachen und Bonn bieten die Möglichkeit, in hochspezialisierten Laboren neue Materialien für Qubits zu erforschen und etwa mit ultrakalten Atomen theoretische Vorhersagen zu überprüfen. (...)

Für den Arbeitsmarkt von Physikerinnen und Physikern gibt es zwei Datenquellen – die Zahlen der Bundesagentur für Arbeit und jene des Mikrozensus. Während erstere monatlich beziehungsweise jährlich erscheinen, basieren letztere auf einer umfangreichen Befragung und Modellbildung. Dadurch beleuchten sie einen um drei Jahre zurückliegenden Stand des Arbeitsmarktes – aktuell also das Jahr 2019. Für das Gesamtbild braucht es beide Erhebungen. 
Der Mikrozensus betrachtet alle erwerbstätigen Physikerinnen und Physiker, die nach Selbstauskunft einen akademischen Physikabschluss besitzen (insgesamt 116 800) [1]. Sie arbeiten in vielen Berufen (Abb. 1). Den Anteil mit einer Tätigkeit in klassischen Physikberufen, also dem „Erwerbsberuf Physiker“, beziffert der Mikrozensus mit rund 15 Prozent [2]. Die Arbeitslosendaten der Bundesagentur beziehen sich lediglich auf dieses Sechstel des „Erwerbsberufs Physiker“. Die Daten zu Arbeitslosen und offenen Stellen für „Physiker:innen“ stellt die Bundesagentur für Arbeit der DPG im Rahmen einer Sonderauswertung basierend auf den September-Zahlen zur Verfügung. Die Zahlen der sozialversiche­rungspflichtig Beschäftigten beziehen sich immer auf das Ende des Kalenderjahres [3]. Davon handelt dieser Artikel und stellt die Zahlen vor dem Hintergrund langfristiger Entwicklungen vor. (...)
 

Als Leitgedanke eines Forschungsdaten­managements dienen die FAIR-Prinzipien: Daten sollen auffindbar (findable), offen zugänglich (accessible), standardisiert und dialogfähig (inter­operable) sowie wiederverwertbar (reusable) sein. Solcherart aufbereitete Daten könnten es zukünftig erlauben, mit Computern möglicherweise völlig neue Zusammenhänge zu entdecken. Bund und Länder haben mit der groß angelegten Initiative für eine Nationale Forschungsdateninfrastuktur (NFDI)1) erhebliche Fördermittel bereitgestellt, um Konsortien aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen diesbezügliche Konzepte ausarbeiten zu lassen. 
Doch vermitteln unsere Physikstudiengänge überhaupt die passenden Kompetenzen für die Datenverarbeitung? In der Physik besteht breiter weltweiter Konsens, dass die Studierenden fundierte Kenntnisse in Analysis, linearer Algebra etc. haben müssen, um physikalische Konzepte zu verstehen. Ein solcher Konsens bezüglich Datenkompetenzen scheint dagegen nicht zu existieren. Beim Erstkontakt mit Daten, etwa in den Praktika der Experimentalphysik, üben die Studierenden zwar elementare Datenevaluation und sys­tematische Dokumentation, diese genügen aber nicht den steigenden Ansprüchen der Forschung und der Berufs­praxis, die sich zunehmend mit der Analyse großer Daten­mengen befassen. Häufig scheitert es schon an einem Konsens über eine geeignete Programmiersprache.