„Im Allgemeinen hält die Faszination für unsichtbare Dinge die sichtbaren Dinge am Laufen.“

Seit Juli 2014 ist Francesca Ferlaino wissenschaftliche Direktorin am Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Der Poetry Slammer und Autor Stefan Abermann traf sie in der Institutsbibliothek zum Gespräch – höchstwahrscheinlich.

Stefan Abermann: Frau Ferlaino, man schreibt Albert Einstein gerne den Satz „Gott würfelt nicht“ zu. Daher habe ich Ihnen für Ihr neues Labor ein Geschenk mitgebracht: Ein Würfelbrett mit Becher. Da sind wir schon bei der ersten Frage: Würfeln Sie? Oder besser: Wie sieht Ihre Beziehung zu Wahrscheinlichkeiten aus?

Francesca Ferlaino: Es gibt Wörter, die wir im Alltag verwenden, die aber in der Quantenphysik eine ganz andere Bedeutung haben. Die Wahrscheinlichkeit ist das Schlüsselkonzept, das die klassische Physik revolutioniert und aus ihr die Quantenphysik gemacht hat. Wenn man in die Quantenwelt eintritt, geht der Denkansatz verloren, dass man sich der Dinge sicher sein könnte. Im Alltag sehe ich ein Glas auf dem Tisch stehen und bin mir sicher, dass es wirklich da ist. In der Quantentheorie existiert nur noch die Wahrscheinlichkeit, dass das Glas auf dem Tisch steht. Meine ganze Forschung besteht nur aus Wahrscheinlichkeiten. Es gibt eine Wahrscheinlichkeit, ein Atom an einem bestimmten Ort zu finden. Ich erforsche, wie sich diese Wahrscheinlichkeit unter bestimmten Bedingungen entwickelt und wie sie sich mit der Zeit ändert.
Doch es gibt einen Unterschied zur Wahrscheinlichkeit des Würfelns. Jeder Wurf hat eine bestimmte Wahrscheinlichkeit. Dann würfelt man wieder und die Wahrscheinlichkeit ist gleich – die Würfe „korrelieren“ nicht, d. h. die Ereignisse beeinflussen sich nicht. In der Quantenphysik hingegen variiert die Wahrscheinlichkeit jedes Mal, wenn die Messung wiederholt wird, abhängig von den inneren Kräften des Teilchens. Und indem wir diese Reaktion beobachten, lernen wir mehr über die Gesetze der Interaktion von Teilchen.
S. A.: Beeinflusst Ihre Beschäftigung mit Wahrscheinlichkeiten auf der Quantenebene auch Ihre Wahrnehmung der Makrowelt?

F. F.: Absolut. Ich habe einen gänzlich anderen Blick auf die Welt. Sie können meinen Partner fragen. (lacht) Physikerinnen und Physiker verstehen sich untereinander besser, selbst bei einfachen Dingen wie Zugfahren. Das liegt an unserer Arbeitsweise. Mein Arbeitsgebiet ist die Interaktion von Atomen. Aber ich könnte mich auch mit einem anderen Thema beschäftigen. Physik ist im Grunde die Kunst, die Natur verstehen zu wollen – im Großen wie im Kleinen. Allerdings ist dieser Gegenstand sehr kompliziert. Wir machen daher Annäherungen – wir analysieren das Problem, vereinfachen es, reduzieren die Parameter und erstellen daraus ein Modell.
Und dieser Ansatz ist in meinem Alltag stets präsent. Wenn Physiker in den Supermarkt gehen, fangen sie an zu rationalisieren, wie sie mit der geringsten Anzahl von Schritten durch die Regalreihen kommen. (lacht) Das ist vielleicht verrückt, aber es ist unsere Denkweise. Jedes Problem fordert seine schnellste Lösung, mit dem geringsten Aufwand an Energie und Berechnung.

S. A.: Führt das zu einer gewissen Entfremdung im Bezug auf andere Menschen?

F. F.: Wir stehen natürlich nicht außerhalb der Gesellschaft. Aber auch im Umgang mit Menschen haben wir diesen Zugang: Wir bestimmen jenen Charakterzug eines Menschen, der den Großteil seiner Entscheidungen lenkt.
In dieser Hinsicht ist es für unser Umfeld oft überraschend, wie schnell wir dynamische Probleme zwischen Menschen durchschauen können. Das ist ein großes Plus. Das große Minus ist, dass wir oft sehr unflexibel sind. Wenn etwas Unvorhergesehenes passiert, dauert es länger, bis wir unsere Berechnungen angepasst haben. Wir sind weniger gut auf Unfälle und Rückschläge im echten Leben eingestellt.

S. A.: Dieses „echte Leben“, also die Öffentlichkeit, hat in den vergangenen Jahren sehr stark auf die Quantentheorie reagiert. Dabei wurde viel Metaphysisches in die großen Rätsel der Quantenphysik hineingelesen. Wie begegnen Sie dieser Außen-Wahrnehmung, die in den Teilchenzusammenhängen fast schon Götter und Monster zu erkennen glaubt?

F. F.: Wenn wir Künstlern wie Ihnen begegnen, ist das prinzipiell sehr spannend. Natürlich: Quantenphysik fordert die Vorstellungskraft heraus. Der Gedanke, dass man etwas verstehen will, was man nicht sehen kann, nicht berühren kann, ist eine Herausforderung für jeden. Als Künstler hat man eine romantischere Sicht auf diese Dinge, als Wissenschaftler sieht man das analytischer. Aber im Allgemeinen hält die Faszination für unsichtbare Dinge die sichtbaren Dinge am Laufen. In früheren Zeiten waren deshalb Naturwissenschaft und Philosophie nicht voneinander getrennt. Zu Recht, denn beide Bereiche stellen dieselben Fragen. Lange Zeit war auch ich nicht sicher, welchen der beiden Wege ich einschlagen wollte. Ich sehe auch heute viele Querverbindungen. Viele Physiker sind beispielsweise gute Musiker. Die Musik ist ein verwandtes Feld, sie besteht aus Nummern, Harmonien, dem Zusammenspiel einzelner Teile – es gibt also eine ähnliche Herangehensweise.
Sobald wir allerdings von Göttern und Monstern sprechen, geht es mir zu weit. Für uns gibt es keinen Deus ex machina in diesen Dingen. Wir verstecken keine Magie.
S. A.: Für Sie wurde gerade ein Labor freigeräumt, es ist noch vollkommen leer. Wie werden Sie es füllen?

F. F.: Ich untersuche das Verhalten von Atomen im Quantenbereich. Normalerweise stellen sich die Leute das Atom als Ball vor. Aber in der Quantenwelt ist es eine Welle. Natürlich untersuchen wir nicht nur eine, sondern Millionen dieser Wellen. Doch wie beeinflussen sie sich, wie sieht die Interferenz aus? Wir sind an einem Punkt, an dem wir volle Kontrolle über diese Atome haben. Das ist unser Vorteil in der Forschung: Wir können das Atom unter Stress setzen und sehen, wie es reagiert. Mehr noch: Wir können uns dazu entscheiden, das Atom so zu beanspruchen, wie auch die Natur es tut. Wir können also artifiziell natürliche Vorgänge simulieren.
Das bringt mich an den Anfang unseres Gesprächs zurück: In der Natur sind diese Prozesse sehr komplex. Unsere Arbeit besteht darin, sie auf die entscheidenden Parameter zu reduzieren. Im Labor können wir diese Vorgänge verstehen. Danach können wir wieder den Weg zurück nehmen und das komplexe System der Natur besser erklären. In der Praxis sieht das so aus, dass wir die Atome stark abkühlen und dadurch die störenden Parameter reduzieren.

S. A.: Welche Auswirkungen wird Ihre Forschung auf mein Leben in den nächsten Jahrzehnten haben?

F. F.: Ich würde sagen, dass unsere Forschung Ihr Leben schon jetzt in vielerlei Hinsicht beeinflusst. Aber wenn Sie spezifisch nach meiner Forschung fragen, dann ist das eine Frage, die ich – und wahrscheinlich auch alle anderen Kollegen – nur schwer ehrlich und realistisch beantworten kann. Das ist die Schönheit der Wissenschaft: Man weiß nicht, wohin der Weg einen führt.
Aber ich gebe Ihnen ein Beispiel für eine Anwendung ultrakalter Atome, die Ihr Leben beeinflusst: GPS. Die Präzision eines GPS-Geräts beruht auf den Grund­lagen der Atomphysik. Wir können mit unserer Technik Energie-Unterschiede zwischen atomaren Spektren messen. Spektren können von vielen Einflüssen gestört werden: magnetische Felder, elektrische Felder, Temperatur, Druck … wenn Sie aber in den ultrakalten Bereich vordringen, können Sie dort eine „Atom-Fontäne“ herstellen. Durch Messung der Frequenz der Teilchen erhalten Sie dann einen Zeitstandard. Und genaue Zeit ist das, was Ihr GPS braucht, um Ihre Position zu bestimmen. Geringere zeitliche Präzision bedeutet weniger Präzision in der Ortsbestimmung.
Hat man daran gedacht, als man mit der Forschung begonnen hat? Nein. Erst nach einer gewissen Zeit wurde das klar. Aber jetzt beeinflusst es Ihr Leben.

S. A.: Wie weit können Forscher überhaupt die Auswirkungen Ihrer Arbeit abschätzen? Sie stehen ja im Zentrum eines Gebiets, das unsere ganze Informationsgesellschaft verändern könnte – etwa durch Quantencomputer.

F. F.: Für mich ist schwer abschätzbar, wie weit man gehen wird können. Man muss deutlich sagen: Wir müssen unsere Forschungen auf ehrliche Weise durchführen, unsere beste Arbeit liefern. Aber ob das dann zu einer Revolution führt … um das vorherzusagen, ist es noch zu früh. Wir wissen, dass die möglichen Auswirkungen weitreichend sein können. Forschende im Feld der Quanteninformation wissen das. Aber davon sind wir noch weit entfernt.

S. A.: Quantencomputer könnten beispielsweise unsere gängigen Verschlüsselungssysteme brechen.

F. F.: Ja, aber man kann auch eine Verschlüsselung erzeugen, die niemand mehr brechen kann. Allein die Tatsache, dass jemand versucht, den Code zu knacken, würde einen Alarm auslösen und die Nachricht zerstören. Wenn Sie einen Spion in der Mitte haben, dann erkennen Sender und Empfänger sofort, dass jemand mithört. Das ist eine Eigenschaft der Quantenphysik: Wenn man etwas misst, zerstört man es. Das ist in gewisser Weise spionagefreie Verschlüsselung, die also viel sicherer wäre als unsere Systeme heute. Aber auch das geht eigentlich über mein Feld hinaus. Daran arbeiten hier am Institut andere Gruppen.

S. A.: Ihre Arbeit zielt eher auf Materialeigenschaften ab.

F. F.: Genau, Teilcheninteraktion im Quantensystem. Ich untersuche anisotrope Reaktionen, in der Hoffnung, Materie und Materialien zu verstehen. Ich untersuche, wie bestimmte neutrale Teilchen sich in starken magnetischen Feldern verhalten, in Situationen, in denen geometrische Abhängigkeiten bestehen. Diese Zusammenhänge werden immer wichtiger.

S. A.: Könnten Sie versuchen, sich auszumalen, zu welchen Produkten, Anwendungen oder Maschinen Ihre Arbeit uns führen wird?

F. F.: Ich könnte Ihnen Beispiele geben, aber ich werde es nicht tun. Das ist genau der Anspruch, den unsere Welt und unsere Gesellschaft heutzutage ständig stellen: Man untersucht etwas, weil man irgendetwas erreichen will. Wir sollten uns aber auf die ursprüngliche Wissenschaft besinnen: wissen wollen, wie die Dinge funktionieren, ohne daran zu denken, auf welchem Markt man die Ergebnisse verkaufen könnte oder welcher praktische Nutzen daraus zu ziehen wäre. Natürlich ist der praktische Nutzen in meiner Arbeit gegeben. Aber er ist mir nicht wichtig.

S. A.: Dafür merkt man Ihnen an, dass Ihnen die Freiheit der Wissenschaft wichtig ist.

F. F.: Das ist der große Kampf in der Grundlagenforschung. Wenn man heute für eine Forschungsarbeit nach einer Finanzierung sucht, dann gibt es immer mehr Druck, irgendeine mögliche Technologie in Verbindung zum Forschungsinteresse zu finden. Davor müssen wir uns schützen. Die Technologien stellen sich ein. Aber wir wollen die Natur verstehen.

S. A.: Aber könnten Sie sich diesen Zugang überhaupt erlauben, wenn nicht doch vorzeigbare Erfolge „als Nebenprodukte“ abfallen würden?

F. F.: Das Verständnis der Natur ist so wichtig! Irgendein Spin-Off ergibt sich immer. Der Punkt ist, dass ich meine Forschung nicht auf diese Weise verkaufen will.

S. A.: Aus der Quantentheorie kann man ableiten, dass man nicht alles verstehen kann. Heisenberg sagte einmal: „Wir können die Gegenwart in allen Bestimmungsstücken prinzipiell nicht kennen.“ Denken Sie, dass Sie überhaupt irgendwann zu einem letzten Verständnis der Quantentheorie kommen können?

F. F.: Heisenbergs Zitat unterscheidet sich von Ihrer Frage. Die Quantentheorie ist eine Annäherung. Doch die Theorie lässt sich verstehen. Wir müssen nur akzeptieren, dass es eben eine Annäherung ist. An einem bestimmten Punkt erreichen wir bestimmt eine Grenze, wo unsere Theorie nicht mehr funktioniert. Und wir arbeiten in viele verschiedene Richtungen, um diese Grenze zu finden. Dafür gibt es auch schon wunderbare Beispiele. Zum momentanen Zeitpunkt ist die Quantentheorie eine sehr gute Annäherung. Sie ist auf verblüffende Weise einfach und beschreibt doch eine große Zahl von Systemen.

S. A.: Es ist beeindruckend, wenn jemand die Quantentheorie „einfach“ nennt.

F. F.: Ein Beispiel: Denken Sie sich ein Atom. Sie wissen, es besteht aus Elektronen, Protonen, dem Kern etc. und es ist extrem komplex, warum das Atom nicht auseinanderfällt oder kollabiert, warum sich die Elektronen ständig um den Kern bewegen usw. Doch nun sagt die Quantentheorie: Vergiss die ganzen Wechselwir­kungen. Behandle das Atom einfach als mikrosko­pische Welle. Das ist einfach. Für uns, die damit arbeiten, ist es überraschend einfach.

S. A.: Bei der Arbeit an Atomen haben Forscher über die Jahre immer wieder neue Teilchen postuliert. Daraus resultierte der Vorwurf, dass sie sich Ihre Teilchen „erschaffen“ würden. Geht Ihnen manchmal die Möglichkeit durch den Kopf, dass Ihre Forschung und was Sie umgibt nur Ihre „Schöpfung“ sein könnten?

F. F.: (lacht) Nein! Das würde ich nicht anerkennen. Das wäre wie in „Matrix“. Aber gut, denken Sie an das Higgs-Boson, das kürzlich durch die Medien ging. Auch dort hat die Theorie bestimmte Annahmen gemacht. Um den Erhalt von Masse und Energie annehmen zu können, vermutete man ein neues Teilchen.
Wenn es dieses Teilchen nicht gegeben hätte, wäre die Theorie zusammengebrochen. In diesem Sinne könnte man sagen, dieses Teilchen wurde künstlich eingefügt. Und ja, so war es auch, aber das waren eben auch Genies mit einer unglaublichen Vorstellungskraft, die dadurch auf dieses Teilchen gekommen sind. Und da man bemerkt hat, wie gut das neue Teilchen sich in die Theorie einfügt, hat man versucht, es zu messen. Und am Ende fand man es! Das war erstaunlich! Wir verändern also nicht die Realität, sondern unsere Vorstellungskraft führt uns zu den Informationen, die uns die Realität nicht von selbst gibt. Sehr oft haben wir damit recht.

S. A.: Eine Frage haben wir bislang vermieden: Warum haben sie sich eigentlich für Innsbruck entschieden? Sie hatten ja auch andere Angebote.

F. F.: Ganz einfach: Hier gibt es ein fantastisches Zentrum für Quantenphysik. Ich hatte ein sehr gutes Angebot aus Deutschland. Aber ein großer Vorteil Innsbrucks ist, dass hier viele Leute in eigenen Gruppen arbeiten und doch an einem Strang ziehen. Für das Verständnis von Quantenphysik ist es ein enormer Vorteil, Synergien zwischen den Abteilungen zu erzielen. Das funktioniert hier großartig.

S. A.: Wie sieht die Zusammenarbeit eigentlich im Detail aus? Das Institut ist ja räumlich wie ein Kreis aufgebaut, in dem die Beteiligten als Teilchen kollidieren können.

F. F.: Wir führen ganz einfach viele Diskussionen zwischen den Theoretikern und den Experimentatoren. Wir denken zusammen nach und versuchen dann im Labor zu Ergebnissen zu kommen. Momentan arbeiten wir an der Simulation komplexer Festkörpereffekte und elektrischer Leitfähigkeit. Vereinfacht erklärt: In einem Kristall bewegen sich Elektronen und man misst, ob das Material leitend ist. Wir haben einen Kristall aus Laser-Licht erschaffen, in dem wir die Atome einsperren, um zu verstehen, wie Leitung im Metall funktioniert.
Wir fanden das interessant, besonders weil „meine“ Atome stark magnetische Eigenschaften aufweisen, wodurch wir Quantenmagnetismus studieren können. Ich bin eine Experimentatorin. Ich weiß sehr gut, wie ich etwas praktisch umsetzen kann, und ich kann mir auch vorstellen, wie es zu erklären ist, aber ich bin doch keine wirkliche Theoretikerin. Also kontaktierte ich Peter Zoller, beschrieb ihm, was wir da hatten, und sofort entstand eine Zusammenarbeit, um gemeinsam Dinge zu diskutieren, die wir noch nicht verstanden. Wir haben die Antwort, doch wir verstehen sie nicht immer ganz. Wir brauchen noch eine Theorie dazu.

S. A.: Macht dieses Arbeitsklima das IQOQI auch international speziell?

F. F.: Wenn ich bescheiden bleibe, würde ich sagen, dass Innsbruck unter den Top fünf, vielleicht sogar den Top drei der europäischen Quantenphysik-Institute zu finden ist. Aber das auf einem Level, auf dem ohnehin nicht mehr unterscheidbar ist, wer Erster oder Zweiter ist.
Warum ist es so stark? Weil hier Leute entschieden haben, den Standort als Zentrum für Quantenphysik aufzubauen. Weil die Universität und die Akademie der Wissenschaften verstanden haben, dass hier ein wichtiger Bereich liegt und dass man hier Geld investieren muss. Und dann gab es fantastische Personen, Genies, die es aufbauten. Rainer Blatt, Peter Zoller, Hans Briegel, Rudolf Grimm und Anton Zeilinger – bevor er nach Wien ging – sind allesamt Schlüsselfiguren in der Quanten-Forschung. In 15, 20 Jahren haben sie dieses Institut aufgebaut. Ich habe von dieser Arbeit profitiert. Ich war vorher in Florenz und kam dann hierher. Geplant waren drei Monate, doch dann war es schlicht unglaublich. Also bin ich geblieben.

S. A.: Das bringt uns zurück zu den Wahrscheinlichkeiten. Wer hätte gedacht, dass es Sie hierher verschlägt?

F. F.: Ich sicher nicht.

S. A.: Wir werden sehen, wohin Sie dieses Institut in der Zukunft steuern.

F. F.: Das werden wir sehen. Auch dafür muss ich lernen. Aber hier sind Leute, die einem das beibringen können. Und genau das ist das Wichtige hier: Zusammenarbeit. Zusammenarbeit und herausragende Forscherinnen und Forscher.

(Anm.: Das Interview wurde auf Englisch geführt und anschließend übersetzt.)