Von Anna Mrugalla und Femke Hauschild
13.10.2025 bis zum 24.10.2025
Im Rahmen der Auricher Wissenschaftstage hatten wir, Anna Mrugalla und Femke Hauschild, die Gelegenheit, ein Praktikum am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien zu absolvieren, welches in den Herbstferien vom 14.-24.10.2025 stattfand. Dort erhielten wir einen Einblick in die aktuelle Forschung der Quantenphysik, das wissenschaftliche Arbeiten und durften
auch selbst experimentell tätig werden.
Angereist sind wir aufgrund der weiten Entfernung bereits einen Tag eher mit dem Zug, der bereits zu sehr früher Stunde abfuhr. Nach über 13 Stunden anstrengender Zugfahrt kamen wir schließlich etwas verspätet abends im Hotel an und schliefen dort schnell ein, voller Vorfreude und Aufregung auf den kommenden ersten Praktikumstag.
Als wir am nächsten Morgen gegen 10 Uhr im Institutsgebäude direkt gegenüber vom Hotel eintrafen und freundlich begrüßt wurden, legte sich diese Aufregung jedoch relativ schnell. Wir wurden von Frau Platzer empfangen, die in der Aspelmeyer-Gruppe forscht, in welcher wir die kommenden ersten drei Tage verbringen würden. Zunächst informierte sie uns über das
grundsätzliche Ziel, welches ihre Forschungsgruppe verfolgt: Das Schaffen einer Verbindung zwischen Gravitation und Quanten.
Quantensyteme verhalten sich wie Wellen. Dies wurde erstmals mithilfe des Doppelspaltexperiments nachgewiesen, in welchem man die Interferenzmuster der Wellenfunktion sehen und somit das Verhalten eines Teilchens als Welle bestätigen kann. Diese Wellenfunktion zeigt außerdem die Superposition des Teilchens, das heißt, das Teilchen ist an mehreren Positionen gleichzeitig, eine typische Eigenschaft von Quanten. Bei Beobachtung des Experiments durch z.B. eine Messung bricht die Wellenfunktion zusammen und das Teilchen entscheidet sich für einen Zustand und verliert seine Quanteneigenschaften. Quantensysteme sind also extrem empfindlich, was das Experimentieren mit ihnen sehr schwierig macht; dies konnten wir später selbst in den Labortouren erkennen.
Ein weiteres grundlegendes Prinzip der Physik ist die Gravitation. Im Gegensatz zur Quantenphysik beschreibt sie den Einfluss großer Objekte aufeinander mithilfe von Newtons Gravitationsgesetz und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Das Nachweisen von Gravitation zwischen Objekten mit sehr kleinen Massen stellt sich hier allerdings als sehr schwierig heraus.
Die Verbindung zwischen der Quantenphysik und Gravitation erscheint also aufgrund ihrer unterschiedlichen Wirkungsbereiche zunächst als schwierig, es ist jedoch scheinbar möglich, dass es sie gibt.
Die Aspelmeyer-Gruppe forscht derzeit genau daran: Auf der einen Seite Gravitation an immer kleineren und auf der anderen Seite Quanteneigenschaften an immer größeren Objekten nachzuweisen, um diese Verbindung zu finden.
Nach dieser thematischen Einführung folgte eine kurze Einweisung in die Arbeits- und Verhaltensweisen im Labor. Beispielsweise galt die strenge Pflicht, jederzeit eine Laser-Schutzbrille zu tragen, da viele der Experimente mit potentiell sehr gefährlichen Lasern
durchgeführt werden. Anschließend machten wir uns auf den Weg zu einem Versuch, den wir selber durchführen sollten und welcher bereits größtenteils für uns aufgebaut war, sodass wir nach einer kurzen Erklärung direkt anfangen konnten.
Unser Ziel war es, einen Optical Tweezer (optische Pinzette) zu schaffen, eine Methode, mit der Mikroteilchen präzise kontrolliert
werden können. Ein Laserstrahl wird durch Linsen in einem kleinen Abschnitt stark fokussiert. Die Mikroteilchen, die wir benutzten, werden zu diesem Fokuspunkt hingezogen, da der Laser eine Kraft auf sie bewirkt.
Zunächst aber mussten wir ein Sample mit einer verdünnten Lösung der Mikroteilchen erstellen. Wir mischten einen Tropfen flüssiger Mikroteilchen mit mehreren Tropfen Wasser auf einem Objektträger an, damit die Mikroteilchen später für uns erkennbar sein würden und deckten diese Mischung dann mit einem Deckglas ab. Dieses Sample untersuchten wir dann unter einem Mikroskop welches wie die meisten anderen Laborgeräte über ein Programm genauestens gesteuert werden konnte. Wir mussten uns hierbei erst einmal in diesem Programm, welches auch den Laser steuern konnte, zurechtfinden. Schließlich hatten wir es aber geschafft, auf unserem Computer die sich zwischen den Wassermolekülen leicht bewegenden Mikroteilchen stark vergrößert zu sehen. Den ganzen Aufbau kann man grob mit dem eines Mikroskops vergleichen.
Anschließend haben wir den Laserstrahl eingeschaltet, der senkrecht durch einen kleinen Punkt unseres Samples ging und genau an dieser Stelle durch Linsen fokussiert wurde. Durch feines Steuern des Tisches konnten wir den Laserstrahl genau über eines der Mikroteilchen steuern. Direkt konnten wir erkennen, dass das Teilchen in die Falle des gebündelten Lasers gegangen war und dort nun festgehalten wurde, da jede vorherige Bewegung sofort aufhörte. Auch bei erneuter Bewegung des Tisches blieb das Teilchen in dem Laserstrahl gefangen und wir konnten es so zwischen den anderen Mikroteilchen gezielt bewegen und kontrollieren.
Unser weiterer Aufenthalt in der Aspelmeyer-Gruppe gestaltete sich größtenteils aus verschiedenen Labortouren, in denen wir verschiedene Experimente gezeigt und erklärt bekommen haben, um so einen Einblick in die derzeitige Forschung an der Verbindung zwischen Gravitation und Quantenphysik zu bekommen.
Um Objekte in den Quantenzustand zu bringen, müssen sie möglichst nah an den Grundzustand (0 Kelvin) heruntergekühlt werden, um so die Bewegung des Teilchens und damit seine Energie zu minimieren. Dafür gibt es verschiedene Verfahren, beispielsweise die 3He 4He Mischkühlung. Bei dieser wird bei der Mischung der Heliumisotope 3He 4He Energie aufgenommen, welche dem System in Form von Wärme entzogen wird. Dadurch können Temperaturen unter 1 Kelvin entstehen. Des Weiteren laufen alle Experimente unter einem starken Vakuum ab, um zu verhindern, dass das Quantensytem durch äußere Einwirkungen zusammenbricht. Um das Teilchen in die Vakuumkammer zu transportieren, werden ebenfalls verschiedene Methoden verwendet. Teilweise werden sie mithilfe einer Apparatur, ähnlich der eines Asthmasprays, in die Vakuumkammer gesprüht. Dies verhindert jedoch, dass Nanoteilchen einzeln in die Vakuumkammer gelangen. Eine andere Möglichkeit ist eine Glasfaser mit Hohlkern, durch welche eine Standing Wave (entsteht durch Wellenfunktion der Photonen des Lasers, welche mit gleicher Frequenz in gegengesteuerte Richtungen laufen) geleitet wird. In dieser Standing Wave werden die einzelnen Nanoteilchen in den Maxima der Welle gefangen und können so einzeln dem Laser in der Vakuumkammer übergeben werden. Der Laser hat zusätzlich zum Festhalten des Nanoteilchens noch eine andere Funktion: Er kann nämlich dazu genutzt werden, die Position des Teilchens zu bestimmen und so Quanteneigenschaften nachzuweisen. Die Photonen des Lasers, die auf das Teilchen treffen, können dafür ausgelesen werden.
In einem der gezeigten Experimente wurde das Prinzip des Lasers verbessert. Denn ein Laserstrahl wie in unserem eigenen Versuch ist aufgrund seiner Hitze für die Herstellung eines möglichst gekühlten Zustandes nicht optimal. Gelöst wurde dieses Problem hier mit modifizierten Laserstrahlen, die eine solche Form besitzen, dass im Zentrum des Strahls eine Lücke freigelassen ist. So wird verhindert, dass die Mitte des Teilchens stark durch den Laser erhitzt wird. Damit das Teilchen im Zwischenraum des Lasers gehalten wird und sich nicht an den Rand bewegt, wurden elektrostatische Kräfte benutzt, die genau dies bewirken.
Eine weitere Lösung stellt magnetische Levitation dar. Dafür wird ein Supraleiter (Material, welches magnetische Felder vollständig abstößt; kennt man bereits aus den Magnetschwebebahnen Japans) benötigt. In diesem Fall wird eine sehr kleine Bleikugel, welche unter extrem niedrigen Temperaturen zum Supraleiter wird, zwischen zwei Magnete gesetzt. Damit sie sich möglichst nicht bewegt, wird der Bewegung des Supraleiters mithilfe von Feedback entgegengewirkt (elektrische Impulse). So kann das Teilchen in der Vakuumkammer schweben und Quanteneigenschaften zeigen ohne einen Laser.
Das freie Wochenende konnten wir als Abwechslung für ein ausgiebiges Sightseeing durch Wien nutzen. So besuchten wir unter anderem den Wiener Prater, das Schloss Belvedere, die Hofburg und Schloss Schönbrunn und bewunderten immer wieder die wunderschöne Architektur in der gesamten Stadt, unter anderem auch das Hundertwasserhaus. Gut erholt und mit neuer Motivation
durch die vielen Eindrücke starteten wir dann in unsere zweite Praktikumswoche.
Zunächst ging es für uns zwei Tage lang in die Brukner-Gruppe, die nicht experimentell, sondern theoretisch forscht. Hier wurde uns aufgrund der Komplexität der eigentlichen Forschung vielmehr eine grobe Einführung in verschiedene dafür grundlegende Themengebiete gegeben. Wir lernten den Aufbau von Qubits kennen, die die Grundlage für Quantencomputer bilden. Sie können wie
klassische Bits die Zustände 0 und 1 annehmen, wobei sie durch Superposition auch beide Zustände gleichzeitig haben können, eine Kombination von 0 und 1. Erst bei einer Messung entscheidet sich das Quantensystem für einen Zustand. Die Zustände eines Qubits lassen sich auf einer Kugeloberfläche visualisieren. Außerdem können Qubits miteinander verschränkt sein und so trotz räumlicher Trennung Einfluss aufeinander haben.
Es folgten einige modellhafte Spiele, die sehr anschaulich die Problemstellungen erklären, für die Qubits und Quantentheorie relevant sind. Ein Beispiel davon: Zwei Spielern, Alice und Bob, die nicht miteinander kommunizieren können, werden unabhängig voneinander zufällig entweder eine blaue oder eine gelbe Karte gezeigt. Darauf antworten sie beide entweder mit „ja“ oder „nein“. Wenn mindestens eine der gezeigten Karten blau war, gewinnen sie, wenn ihre Antworten gleich sind. Wenn beide Karten gelb waren, gewinnen sie, wenn ihre Antworten unterschiedlich sind. Unter klassischen Berechnungen kann eine maximale Gewinnchance von 75% erreicht werden. Mit Quantenverschränkung dagegen ist eine Gewinnchance von ungefähr 85% möglich. Die Berechnungen hierzu wurden uns anschließend erklärt, wobei wir auch mit der mathematischen Notation von Quantenzuständen vertraut wurden und komplexe Zahlen nutzten.
Am Mittwoch waren wir in der Zeilinger-Gruppe. Wir wurden hier von Herrn Mair abgeholt, welcher uns nach einer Einleitung in die Gruppe eine Tour durch die entsprechenden Labore gab. Die nächsten zwei Tage verbrachten wir damit, zu helfen, ein Experiment vorzubereiten, welches am kommenden Sonntag beim österreichischen Nationalfeiertag am Tag der offenen Tür im Bundesministerium für Frauen, Wissenschaft und Forschung (BMFWF) ausgestellt werden sollte. Der Aufbau produzierte verschränkte Photonen, welche auch visuell durch eine Infrarotkamera sichtbar wurden. Wir konnten während der Vorbereitung auch das sogenannte Beamwalking
ausprobieren, welches dazu genutzt wird, die Spiegel so auszurichten, dass der Laser durch die Mitte der Linsen geht, um so einen parallelen Laser zu erzeugen.
Die Arbeit mit dem Versuchsaufbau zeigte uns, dass auch die experimentelle Physik nicht immer glatt läuft und weitgehend daraus besteht, Hypothesen für Fehler aufzustellen und diese immerwieder zu testen, um zu einem gelingenden Experiment zu kommen.
Am letzten Tag wechselten wir noch einmal in den Forschungsbereich der theoretischen Physik, nämlich in die Müller-Gruppe. Hier bekamen wir mit, wie ein wissenschaftliches Paper geprüft wird, nachdem es mit den neu erforschten inhaltlichen Erkenntnissen fertiggestellt wurde. Es war für uns unabhängig vom natürlich sehr komplexen Inhalt insbesondere sehr interessant zu erfahren, wie die Abläufe beim Veröffentlichen von neuen wissenschaftlichen Publikationen sind. Der Entwurf wird zunächst von mehreren Wissenschaftlern anderer Institutionen durchgelesen und auf inhaltliche Fehler oder Unklarheiten in Formulierungen und Struktur überprüft. Wenn diese Rückmeldungen nach einigen Monaten wieder bei den Autoren des Papers ankommen, werden sie geprüft und der Text entsprechend überarbeitet. Ein ständiges gegenseitiges Feedback und Kommunikation zwischen verschiedenen Forschungsgruppen ist hier grundlegend. Dieses mehrfache Überarbeiten nimmt sehr viel Zeit in Anspruch, gehört aber zum Alltag von Wissenschaftlern, die in der Forschung tätig sind.
Wir durften an einer Konferenz teilnehmen, bei der die Kommentare zum verfassten Artikel besprochen wurden. Inhaltlich ging es in dem Paper der Gruppe um ein „prepare-and-measure“ – Verfahren, welches grob gesagt zufällige Zustände mit Hilfe von Quantensystemen erschafft, dies kann beispielsweise in der Kryptografie genutzt werden. Parallel zum Überarbeiten des eigenen Artikels wurde auch nachgeschaut, welche anderen Paper in letzter Zeit zum selben Thema veröffentlicht wurden. Die Erkenntnisse daraus, die dann auch für das eigene Projekt hilfreich sein könnten, werden dann vom gesamten Team durchgelesen, um immer auf dem aktuellen Stand der weltweiten Forschung zu sein. Wir haben auf diese Weise erfahren, dass in der Wissenschaft ein ständiger Austausch stattfindet, der den internationalen Fortschritt erheblich voran bringt.
Mit diesem Tag endete unser zweiwöchiges Praktikum schließlich. Wir verbrachten in Wien eine sehr lehrreiche und spannende Zeit, die uns nachhaltig prägen wird. Auch im Hinblick auf die künftige Studien- und Berufsorientierung nach dem Abitur sind unsere Erfahrungen aus dem Praktikum sehr hilfreich und eröffnen uns einen Blick aus neuen Perspektiven. Daher würden wir allen naturwissenschaftlich interessierten Schülerinnen und Schülern empfehlen, die Möglichkeit eines solchen Praktikums über die Auricher Wissenschaftstage wahrzunehmen, selbst wenn die Fachrichtung des Instituts vielleicht nicht exakt dem Gebiet entspricht, welches in Zukunft vertieft werden möchte. Denn neben den Inhalten sind es vor allem die Einblicke in die Forschung und das wissenschaftliche Arbeiten, die einen weiterbringen können.
Wir möchten uns an dieser Stelle ganz besonders bei Frau Ziems bedanken, die das Praktikum mit größtem Engagement für uns organisiert hat. Ein großer Dank geht ebenfalls an Frau Satanakis und Frau Stojanovic, die die Organisation von Seiten des IQOQI übernommen haben, sowie an alle weiteren Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Instituts, welche wir in ihrem Alltag und auf Labortouren begleiten durften. Auch bedanken wir uns beim Team der Auricher Wissenschaftstage
rund um Frau Groen und Herrn Engelbart, durch die der Praktikumsplatz erst zustande gekommen ist.
