RZ109 Quantentechnologie für die Raumfahrt

Quantenmechanische Eigenschaften dienen zunehmend als Basis moderner Technologien

Die Grundlagenforschung im Bereich der Quantenmechanik ist in den letzten Jahrzehnten weit vorangeschritten und die gewonnenen Erkenntnisse dienen der Entwicklung neuer Technologien, die der Raumfahrt künftig noch genauere Mess- und Steuerinstrumente verspricht.

Doch auch auf der Erde werden diese Erkenntnisse und Technologien ihre Spuren hinterlassen, sobald sie sich im All bewährt haben. Das DLR hat gleich mehrere Institute gegründet um in diesem Bereich weitere Fortschritte zu erzielen und ganz konkrete Ansätze für die kommende Produktentwicklung zu liefern.

Dauer: 1 Stunde 36 Minuten
Aufnahme: 24.03.2023

Lisa Wörner

Wir sprechen mit der stellvertretenden Leiterin des Instituts für Quantentechnologie des DLR in Ulm Lisa Wörner. Sie stellt die Arbeit des Instituts vor und erläutert, in welchen Bereichen Quantenmechanik heute schon ein Rolle spielt, welche Anwendungen Quantentechnologie in naher Zukunft abdecken wird und was die Hintergründe und Ziele der Raumfahrtexperimente COMPASSO und BECCAL sind.

Für diese Episode von Raumzeit liegt auch ein vollständiges Transkript mit Zeitmarken und Sprecheridentifikation vor.

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Transkript

Tim Pritlove 0:00:34

Hallo und herzlich willkommen zu Raumzeit, dem Podcast über Raumfahrt und andere.Kosmische Angelegenheiten.Mein Name ist Tim Brittloff und ich begrüße alle zur 109.Ausgabe von Raumzeit.Und ja, kosmische Angelegenheiten, darum geht's heute glaube ich mal wieder.Aber es geht auch um die Raumfahrt.Ich habe mal wieder eine Reise angetreten. Der Weg hat mich nach Ulm geführtzu einem relativ neuen Institut des DLR und begrüße erst mal meine Gesprächspartnerinheute, nämlich Frau Lisa Wörner.

Lisa Wörner 0:01:09

Hallo, sehr schön, dass ich da sein darf.

Tim Pritlove 0:01:12

Ja, herzlich willkommen bei Raumzeit. Frau Wörner, Sie sind die Leiterin oderkommissarische Leiterin, wenn ich es richtig notiert habe, dieses Instituts.Macht das einen Unterschied?

Lisa Wörner 0:01:24

Absolut, das macht absoluten Unterschied. Mein Nachfolger ist bereits bestimmtund ich werde den Posten dann abgeben. Ich verwalte im Moment das Institut bis er kommt.

Tim Pritlove 0:01:31

Okay, also Sie managen sozusagen die Aufbaufase, die allererste.

Lisa Wörner 0:01:36

Genau so.

Tim Pritlove 0:01:36

Weil das ganze ist ja erst vor kurzem gegründet worden.

Lisa Wörner 0:01:40

Wir sind 2019 gegründet worden. Der Gründungsdirektor war noch jemand anders.Ich durfte das dann von ihm übernehmen, eben bis mein Nachfolger kommt.Und damit sind wir jetzt erst vier Jahre alt oder werden dieses Jahr erst vier Jahre alt.

Tim Pritlove 0:01:53

Was für so ein DLR-Institut ja geradezu Babyzustand ist.

Lisa Wörner 0:01:57

Total. Mit uns zusammen wurden noch sechs andere Institute gegründet.Drei von diesen sechs Instituten im Bereich der Quantentechnologie, eines davon wir.Und wir sind ganz ganz jung im DLR und versuchen uns da jetzt gerade mit denanderen Partnern zusammenzufinden und Verbindungen zu knüpfen und unsere Forschung zu betreiben.

Tim Pritlove 0:02:14

Genau, Institut für Quantentechnologie, müssen wir auch mal ausgesprochen haben,darum geht es hier. Also hier werden die Quanten durch die Gegend geworfen und beobachtet.Da werden wir jetzt gleich ausführlich drüber reden, aber vielleicht würde michauch mal interessieren, was macht denn das anders? Also ich meine,wenn man jetzt so ein etabliertes Institut reinkommt, da ist dann schon alleseingeruckelt, das haben wir schon immer so gemacht und so.Das ist ja dann im Prinzip Aufgabe und Freiheit in einem, oder?

Lisa Wörner 0:02:48

Ist eine total spannende Aufgabe, so ein Institut neu aufzubauen und auch totalspannend die Strategie für so ein Institut zu gestalten und auch die Zukunftzu entwickeln. Wo wollen wir hin? Das sind ja jetzt alles so Grundpfeiler,die jetzt gelegt werden.Ob wir Dinge grundlegend anders machen als andere Institute,weiß ich nicht, aber unsere Aufgabe ist natürlich eine andere.Bei uns geht es jetzt wirklich darum, die Phänomene, die wir aus der Quantenphysik kennen,die Quantenphysik, die wirklich auch schon jahrelang, fast ein Jahrhundert inzwischenuntersucht wird und erforscht wird,jetzt diese Phänomene, die wir kennen, auch in die Anwendung zu bringen,daraus eben eine Quantentechnologie zu machen und nicht mehr nur Quantenphysik.Superspannende Aufgabe.

Tim Pritlove 0:03:27

Wenn ich's richtig sehe, ist das Institut so ein bisschen...Auf der einen Seite schon auch ein wenig in der Grundlagenforschung verwurzelt,versucht aber sehr viel mehr so einen Brückenschlag zu machen in die konkrete Anwendung.

Lisa Wörner 0:03:43

So richtig viel Grundlagenforschung machen wir nicht. Wir untersuchen nichtmehr warum irgendwie ein Phänomen wie auftritt.Unser Ansatz ist tatsächlich zu verstehen, wie wir diese Phänomene verwendenkönnen. Dafür müssen wir sie untersuchen, dafür müssen wir sie verstehen,dafür müssen wir sie handhaben können.Kann man durchaus der Grundlagenforschung zuwächen, ist aber für mich auch immerschon ein angewendeter Ansatz.Das heißt, wenn ich jetzt irgendwie untersuche, wie Beschleunigungen das Systembeeinflussen, dann untersuche ich das natürlich aber immer mit dem Ziel hintendran,eine Technologie zu entwickeln, ein System zu entwickeln.Was bei uns noch ganz speziell ist, ist, dass wir auch eine dezidierte Theorieabteilunghaben, die dafür da sind,Neue, frische Ideen in das Institut zu bringen und auch neue Ideen aus der Forschungheraus für uns relevant zu machen,sodass wir da auch immer wieder gucken können, welche neuen Phänomene in derQuantentechnologie oder Quantenmechanik wurden entdeckt, sind für uns vielleichtrelevant oder wo haben wir noch nicht genügend in die Tiefe geschaut,um Dinge auch so umsetzen zu können, wie sie sinnvoll sind.

Tim Pritlove 0:04:46

Wie hoch ist da so die Schlagzahl aus dieser Grundlagenforschung?Wie viel muss man da so konsumieren pro Jahr?

Lisa Wörner 0:04:53

Also wir lesen natürlich ganz viel, wir fahren ganz viel auf Konferenzen.Ziel von uns ist es mindestens, also wir sind im Moment rund 50 Mitarbeiter,dass wir mindestens 20 internationale Vorträge auch haben.Sodass wir wirklich auch mit der Community kommunizieren wollen,mit der Community gemeinsam mitarbeiten wollen im Moment.Aktuell fokussieren wir uns noch auf die Technologien.

Tim Pritlove 0:05:16

Vorträge die man hält oder die hier gehalten werden?

Lisa Wörner 0:05:20

Dabei geht es vor allen Dingen um Vorträge, die wir halten, bei denen wir natürlichauch Sichtbarkeit schaffen, aber was auch heißt, dass wir rausgehen,dass wir uns auf Konferenzen zeigen.Die Zahl ist sicherlich zu niedrig, ich glaube wir machen viel viel mehr,das ist aber so unsere Zielvorgabe und gleichzeitig haben wir im Moment aucheinen wöchentlichen oder zwei wöchentlichen Termin,wo wir auch hier Vorträge haben, wo wir auch externe Kollegen einladen,auch das für uns ein ganz wichtiges Thema natürlich Leute reinzuholen.

Tim Pritlove 0:05:46

Also Institut für Quantentechnologie und das heißt halt hier geht es wirklichum die Anwendung und nicht nur um die Forschung, aber man ist halt natürlichmit dieser Forschung auch verbunden.Bevor wir dann vielleicht noch mehr auf die Struktur kommen und vielleicht auchnochmal so ein bisschen die Grundlagen all dessen beleuchten,um das weitere verstehen zu können, würde mich natürlich nochmal interessieren,Was sie eigentlich so hierher geführt hat. Wann hat sie denn das Thema Wissenschaft erwischt?

Lisa Wörner 0:06:15

Mein Leben ist eines in Umwegen. Ich hab tatsächlich Physik studiert,ich hatte auch in der Schule schon eine starke Affinität zur Physik,sodass das bei mir auch geblieben ist und auch die Wissenschaft mich immer schon fasziniert hat.Sicherlich auch ein bisschen aus dem familiären Umfeld, wo das auch immer ein starkes Thema war.Und auch die Raumfahrt tatsächlich eine starke Faszination war,die mich von Kindestagen an begleitet.Und dann habe ich aber in meinem Studium zunächst mal an Hochenergiephysik gedacht,habe mich also erstmal informiert über oder erstmal geforscht im Bereich vonHochenergiephysik, Teilchenphysik.Ich war damals vor allen Dingen an einem Experiment, was am FAIR in Darmstadtstattfindet, aber das bekanntere Experiment ist jetzt FAIR, die Facility forAnti-Protein and Iron Research.Die bekanntere Einrichtung dazu ist das CERN. Jetzt habe ich sehr sehr langegeredet über etwas, was ich nur ein Jahr getan habe.War wohl aufregend. War total spannende Zeit. Diese großen Experimente.Ich durfte in der Zeit auch ans CERN fahren und konnte den Large Hadron Collider,der damals gebaut wurde, Ja so alt bin ich schon.Tatsächlich auch noch von innen anschauen. Also ich konnte die großen Experimentevon innen anschauen. Alice hat mich damals unglaublich beeindruckt.Also wirklich ganz tolle Experimente, ganz spannende Physik.Und bin dann von dort aus in die Plasmaphysik gegangen.Das Max-Planck-Institut für Extraterrestrik und hab dort meinen Doktor gemacht.Mit einer Phase in Frankreich in der Zeit.

Tim Pritlove 0:07:41

Wo ist das? In München?

Lisa Wörner 0:07:43

Ich habe auch in München studiert und bin dann nach dem Abschluss meines Doktoratsoder während meines Doktorats, habe ich angefangen viele Audiobücher zu hörenund habe dann tatsächlich von Stephen Hawking den großen Entwurf gehört.Und in diesem Buch spricht er über ein Experiment mit dem Doppelspalt,wo Menschen es geschafft haben, Fullerene, das sind Moleküle aus 60 Kohlenstoffatomen,die bauen sich zusammen wie so ein Fußball, sehen die am Ende aus.

Tim Pritlove 0:08:10

Benannt nach Buckminster Fuller.

Lisa Wörner 0:08:13

Genau, Fullerene, Buckyballs, wie auch immer man sie nennen möchte,dass die damit Interferenzexperimente gemacht haben.Und Interferenzexperimente habe ich verstanden aus der Universität,war aber für mich immer so ein Welleteilchen, das ist alles super klein undwas Lichter macht und so, Papier ist total geduldig, da kann man ganz viel drüberreden, alles easy und hab dieses Experiment gehört und hab gedacht,prove it to me and I still won't believe it.Douglas Adams Zitat an dieser Stelle, aber ja. und bin dann...Auf die Suche gegangen und wurde dann eingeladen, weil ich war irgendwie klar,dass ich nicht in dieser Gruppe würde bleiben wollen und ich wollte mich auchweiterentwickeln nach dem Doktor, aber es war nicht so genau klar,wo ich, wo die Reise hingehen würde und wurde dann eingeladen auf eine sehrspannende Konferenz mit ganz, ganz vielen verschiedenen Themen.Und dort stellte Markus Arndt dann genau dieses Experiment vor und ich saß imAuditorium und hab gedacht, niemals, das kann doch nicht funktionieren,das geht nicht, mein Gehirn schafft es nicht, das zu verstehen.War dann, im Englischen würde man sagen lucky enough, im Deutschen.Ich hatte dann das Glück, tatsächlich in dieser Forschungsgruppe dann forschenzu dürfen bei Markus Arndt, der mich dann eingeladen hat und ich war dann dortzwei Jahre und habe mit ihm dort in Wien hochmassige Interferenz gemacht.Also wirklich die Frage, wo hört die Quantenmechanik auf, wo ist die Validitätder Quantenmechanik am Ende.Ja und ab da hat es mich dann gepackt und ich bin dann von dort nach Bremengegangen, wo wir dann Frequenzreferenzen angeschaut haben und uns dann angefangenhaben auf den Wellenteilchendualismus mit Atomen zu fokussieren.Das war für mich dann sehr einfach zu schlucken, nachdem ich geschluckt hatte, dass man so 20.000.Atomare Masseneinheitenteilchen interferieren kann, also wirklich,wirklich große Teilchen interferieren kann, waren dann Atome für mich nicht mehr so das Thema.Was dann dazu geführt hat, dass ich Projektleitung wurde im Projekt Bekal,da werden wir sicherlich gleich nochmal drüber sprechen, ins Detail ein bisschen gehen.Das hat mich am Ende des Tages dann an dieses neu gegründete Institut hier inUlm geführt. Da ich in München studiert habe, war das für mich auch dann örtlichein interessantes Thema.Dann hat sich die Chance ergeben eben hier auch die Leitung Kommissarisch zuübernehmen und jetzt sitzen wir hier. Wie gesagt Umwege, sehr sehr lange gesprochen.

Tim Pritlove 0:10:19

Ja, aber immer interessant. So,jetzt merkt man schon, das ist ein heikles Thema hier mit der ganzen Quantenmechanik,das ist so eine Technologie, wir haben es ja schon erwähnt,gibt es seit 100 Jahren, aber ich hab so den Eindruck,das ist so, Also nicht, dass jetzt komplexe physikalische Vorgänge generellin einer breiten Öffentlichkeit immer so jederzeit abgerufen werden können.Von vielen hat man was gehört, von manchen haben viele auch eine Vorstellung,aber mit der Vorstellungskraft im Quantenbereich setzt es ja auch bei den Physikerndann sicherlich hier und da auch mal aus.Weil es ja einfach kurz gesagt und ich formuliere das jetzt einfach mal so miteiner einfachen Sichtweise,der Blick in das kleinste hat zutage gebracht, dass da auf einmal die Gesetze,die man im größten beobachtet, nicht so ohne weiteres anzuwenden sind.Und ja, hat mit der Quantenmechanik sozusagen nochmal so ein komplettes Genreinnerhalb der Physik geschaffen, wo sich ja auch lange gestritten wurde,ob denn das denn alles so sein kann.

Lisa Wörner 0:11:34

Das ist richtig. Ganz wichtig an der Stelle, nicht alles was Quantenmechanik ist, ist klein.Und auch der Quantensprung, der so viel benutzt wird, der ist weder klein nochgroß. Der Quantensprung beschreibt die kleinste Einheit, die man sich bewegenkann. Deswegen ist das für mich immer so ein Pet und Peeve, wenn Menschen das benutzen.

Tim Pritlove 0:11:51

Ein lustiges Statement. Jetzt haben wir ja einen Quantenfonds gemacht.Alles klar, es hat richtig vorangekommen.

Lisa Wörner 0:11:59

Wo wir jetzt schon drüber sprechen, gebe ich Ihnen kurz ein Beispiel,vielleicht hilft das so ein bisschen zu verstehen, warum mich das so zum Lachen bringt.Geld ist typischerweise gequantet. Ich kann Ihnen einen Cent geben,ich kann Ihnen zwei Cent geben, ich tue mich sehr schwer Ihnen einen halbenCent zu geben. Das heißt, es gibt hier eine kleinste Einheit,die ich Ihnen geben kann, nämlich den einen Cent. Geld ist deswegen gequantet.

Tim Pritlove 0:12:17

Das ist im Prinzip Digitalisierung, könnte man es auch nennen.Also man schafft halt einfach Schrittweiten, die klar abzählbar sind und dasist die Quantifizierung.

Lisa Wörner 0:12:28

Wenn sie das so möchten, ja da muss ich jetzt noch drüber nachdenken,ob ich dem so mitgehe, aber das können wir mal so stehen lassen.Aber prinzipiell geht es darum.

Tim Pritlove 0:12:35

Ja bei Computern gibt es ja auch kein halbes Bit und das ist ja sozusagen dieSchrittweite, auf die man sich geeinigt hat.

Lisa Wörner 0:12:43

Genau, ein anderes schönes Beispiel sind Parkplätze. Parkplätze sind an sichauch gequantelt, nur dass wir es dauernd verletzen. Aber prinzipiell.

Tim Pritlove 0:12:50

Also halb befüllte Parkplätze habe ich schon gesehen.

Lisa Wörner 0:12:52

Ja, ich auch. Prinzipiell werden die aber auch gequantelt. Genau,jetzt habe ich vergessen. Wo wollte ich hin?

Tim Pritlove 0:12:59

Zur Quantenmechanik. Und warum, ja, was das Wesen dieses Forschungsbereichesist und was müssen wir verstehen, um das zu verstehen, was dieses Institut macht?

Lisa Wörner 0:13:11

Also ganz ganz wichtig über Quantenmechanik, wenn man über Quantenmechanik spricht,ist, dass wir uns von der Vorstellung, wie die Welt für uns sich so darstellt,ein bisschen verabschieden müssen.Wir sitzen jetzt hier an einem Tisch, das heißt sie sagen, auch wenn sie ausdem Raum rausgehen, der Tisch ist hier.Und ich sage ihnen, wenn ich aus dem Raum rausgehe, dass es nur eine gewisseWahrscheinlichkeit gibt, dass dieser Tisch hier ist.Die ist wahrscheinlich fast eins, aber sie ist eben halt nicht eins.Und das ist so der ganz große Unterschied zwischen der Beschreibung der Weltin der Quantenmechanik oder der Beschreibung der Welt in zum Beispiel Newtonischer Mechanik.Das ist so das, was wirklich unten drunter liegt, dass wir nichts beschreibenals das ist da oder das ist nicht da,sondern es wird allem eine sogenannte Wellenfunktion zugewiesen,die dann beschreibt, welche Wahrscheinlichkeit ein Objekt hat, irgendwo zu sein.Welche Wahrscheinlichkeit ein Elektron hat, in einer bestimmten Entfernung zum Kern zu sein.Wenn wir bei dem Beispiel bleiben, ist es die Quantenmechanik,die dann von dem Borsch-Naturmodell mit den Kreisen weggeht hin zu diesen Orbitalen.Die Orbitale beschreiben eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen um den Kern herum.Nur bis zu einer gewissen Größe. Es gibt wieder eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeitaußerhalb, aber prinzipiell ist das das, was die Quantenmechanik tut.

Tim Pritlove 0:14:32

Du die Vorstellung des Atoms umgeben von so einer Elektronenwolke,was halt nach wie vor eine definierte Anzahl von Elektronen hat,aber eben unbestimmbar wo sich etwas befindet, solange bis man es dann misst.

Lisa Wörner 0:14:49

Genau, genau. Und das ist tatsächlich auch, um wieder zurückzukommen,genauso funktioniert auch dieses Experiment mit den Fullerenen.Die Fullerene verhalten sich wie Wellen. Interferenz ist ein ganz typisches Wellenexperiment.

Tim Pritlove 0:15:00

Also wir reden ja von einem Molekül jetzt hier, gell?

Lisa Wörner 0:15:02

Wir reden von einem Molekül, von einem großen Molekül. Einem Molekül,was man mit einem Elektronenmikroskop tatsächlich sehen kann.Also noch nicht sichtbar mit dem reinen Auge, aber was tatsächlich sichtbargemacht werden kann. Also es ist wirklich nicht mehr klein.Und Interferenz ist ein typisches Wellenphänomen, kann ich nur im Wellenbilderklären, kann ich nicht erklären, wenn ich im Teilchenbild bleibe.Um das Wellenbild kurz zu verstehen und was Interferenz ist,wenn Sie an einem schönen,ruhigen See stehen, so einem ganz spiegelglatten See,wo sich wirklich auch die Berge auf der anderen Seite drin spiegeln und es istwirklich ganz ruhig und Sie nehmen zwei Steine und werfen sie in das Wasser,Dann bilden sich so konzentrische Wellen um diese Steine, da wo die Steine insWasser eingedrungen sind.Da wo die Wellenberge sich treffen, wird es dann doppelt so hoch,da wo die Wellen Täler sich treffen, wird es doppelt so niedrig.Und sie werden wie so ein Karomuster beobachten im Wasser, eben dieses sogenannte Interferenzmuster.Und das lässt sich nur erklären durch die Überlagerung von Wellen mit einersogenannten konstruktiver Interferenz, also da wo sich Wellen verstärken,und destruktiver Interferenz, da wo sie sich auslöschen. und damit bekommt mandieses Karo-Muster im Wasser.Und das funktioniert hier jetzt genauso nur, dass die Fullerene nicht die Steinesind, die wir ins Wasser geworfen haben.Das wäre ja super einfach zu verstehen, sondern die Fullerene sind die Wellen,die sich vorwärts bewegen.Das heißt, statt die Fullerene wie Objekte zu beschreiben, beschreiben wir dieFullerene jetzt als sich vorwärts propagierende Welle, die und jetzt kommt derganz schlimme Teil, jedes von diesen Fullerenen geht gleichzeitig durch beide Spalten durch.Statt dass das Folleren, das Teilchen was wir kennen, durch einen Spalt durchgeht,interferiert hintendran mit sich selber und produziert das Interferenzmuster.Das ist ganz schön viel Information auf einmal gewesen.

Tim Pritlove 0:16:45

Genau, also ein Folleren muss man sich ja vorstellen wie ein Fußball.Also der klassische Fußball, der seit ein paar Jahrzehnten ist, also der sich aus so.Einem Hexagon und Pentagons zusammensetzt, das ist ja im Prinzip die Molekülstrukturvon der wir hier sprechen.

Lisa Wörner 0:18:19

Schwierig. Also zunächst mal das Interferenzmuster. Der Punkt von diesem Doppelspaltexperimentist, dass man eben hinten nicht einfach das Schattenbild des Doppelspaltes findet,sondern eben ein Interferenzmuster.Wenn ich ein Interferenzmuster finde, Interferenz kann ich nur mit Welleneigenschaftenerklären. Das heißt, da muss ich komplett raus aus dem Partikelbild.Ich weiß nicht, vielleicht haben sie das auch mal in der Schule gesehen mitLasern oder manche, wir haben das mit Wasserwellen gesehen, diese Beugungsphänomeneund so was, Interferenzphänomene, das ist im Prinzip alles das gleiche.Das heißt, das funktioniert auch mit den Fußballen, das funktioniert auch mitden Pistolenkugeln, das funktioniert mit allen Arten von Teilchen,wir können es im Moment noch nicht mit der Größe, wir haben es mit der Größenoch nicht gezeigt. Und auch Molekülen.

Tim Pritlove 0:19:02

Wir sprechen jetzt wirklich bei diesem Fullerenbeispiel davon,dass man jetzt quasi so ein Doppelspalt-Setup hat und da fliegen dann diese ganzen Moleküle durch.

Lisa Wörner 0:19:09

Korrekt, korrekt. Und das Experiment, was Sie gerade angesprochen haben mitden Elektronen, das ist rund aus den 60er-Jahren.Das heißt, das ist auch so etwa 30 Jahre, 40 Jahre nach der Prostellation desWelle-Teilchen-Dualismus.Also es hat sehr, sehr lange gedauert, bis wir von dem Welle-Teilchen-Dualismus,von der theoretischen Beschreibung hingekommen sind, dass wir tatsächlich auchein Experiment dafür hatten.Fun Fact am Rande, das wissen Sie bestimmt auch, Einstein hat seinen Nobelpreisnicht bekommen für die Relativitätstheorie, sondern tatsächlich für den sogenanntenphotoelektrischen Effekt, der als erster den Welle-Teilchen-Dualismus gezeigt hat, nur andersrum.Er hat gezeigt, dass sich Licht nicht nur wie eine Welle verhält,sondern auch wie ein Teilchen.Das ist dann der Ausgangspunkt auch durchaus der Quantenmechanik.Und dieses Gleichzeitig beim Welle-Teilchen-Dualismus ist so eine Sache.Prinzipiell ist da schon so eine Gleichzeitigkeit da, wie ich das aber lieberformuliere, ist, dass ich jedes Teilchen auch wie eine Welle beschreiben kannund eine Welle wie ein Teilchen.Und jetzt muss ich das passende Bild wählen, was zu dem Phänomen passt, das ich sehe.Das ist häufig ein Problem oder war auch lange für mich als Physiker ein Problem,weil das kann doch nicht sein, dass ich irgendwie etwas wähle basierend auf dem, was ich messe.Aber tatsächlich ist es eben genau so. Auch Sie machen das. Sie wählen hinterherbasierend auf Ihrem Messergebnis eine Erklärung für die Thematik,die Sie gemessen haben. Wenn Sie jetzt morgen irgendwo hinkommen,da ist ein Autounfall, dann haben Sie auch irgendwie eine Idee, was da passiert ist.Und genau das gleiche machen wir hier auch. Nicht ganz so dramatisch.Aber im Prinzip wählen wir hier auch dann ein Bild basierend auf dem,was wir zeigen konnten. Und können zum Beispiel mit diesen Interferenzexperimenteneben tatsächlich zeigen, dass Moleküle auch der Quantenmechanik unterliegen.

Tim Pritlove 0:20:51

Was war jetzt bei den Follerenen so besonders, also was war dieser unglaubliche Aspekt?

Lisa Wörner 0:20:57

Die sind einfach so groß. Die sind einfach riesig. Also bei Elektronen, die sehe ich nicht.Da kann ich irgendwie noch akzeptieren, dass das da durchgeht.Bei Atomen tue ich mich schon sehr, sehr schwer.Das waren einfach die Fullerene, die ich dann damals als erstes gehört habe,auch vor den Elektronen und vor den Atomen.Und es war für mich sehr schwer vorstellbar, tatsächlich da hinzugehen und diesenAuflösungsprozess sozusagen, das Aufgehen eines substanziellen Teilchens ineine Welle und dann wirklich die Beschreibung in einer Welle.Und inzwischen sind die bei Teilchen,die haben rund 20.000 atomare Masseneinheiten, irgendwie 1.500 Atome.Das sind richtig, richtig große Moleküle, die immer noch Welleneigenschaftenzeigen. Das ist im Moment der aktuelle Massenrekord, der in Wien gehalten wird.

Tim Pritlove 0:21:47

Also auch wenn der Tisch so hart wirkt, wenn man draufhaut und man so eine Vorstellungvon der ganzen Welt hat, dass das irgendwie alles so massiv ist.Man weiß ja im Prinzip, Masse und Energie ist sowieso das gleiche,aber eigentlich muss man es noch ein bisschen weiter denken und wir leben eigentlichin einem großen Wellensalat.

Lisa Wörner 0:22:03

Wir leben eigentlich in einem großen Wellensalat und dass der Tisch so hart,das liegt an der Elektrodynamik, da ist einfach elektromagnetische Abstoßung,deswegen ist der Tisch so hart.Physik zu studieren kann ich jedem nur empfehlen, es macht aber ganz viel mitder Welt um einen herum und es ist nicht immer schön.

Tim Pritlove 0:22:20

Genau, also in diesem Wellensalat forscht jetzt,Entschuldigung, entwickelt dieses Institut Technologien, also auf Basis dessenwas sozusagen die Forschung bisher alles so ergeben hat, weil dort Potenzial gesehen wird.Bevor wir vielleicht auf die Sachen kommen, die hier jetzt angedacht werden,was so in der Zukunft kommen soll, was hat denn die Quantentechnologie jemals für uns getan?Also was ist denn sozusagen schon bisher entstanden, was man jetzt in diesemFeld zuordnen kann, wo man sagen kann, okay das ist jetzt sozusagen schon angewandteQuantentechnologie gewesen?

Lisa Wörner 0:23:04

Also natürlich ist es so, dass die Quantenmechanik auch unser Leben durchaus beherrscht.Auch wenn wir die Technologie nicht entwickelt haben und wenn wir die Dinge nicht gemacht haben,ist viel von den Prozessen, die so um uns herum passieren, von der Abstoßungbis hin zu kosmischen Prozessen und sowas, Tunnelprozesse, alles quantenmechanischeProzesse, die ganz wichtig sind.Das ist nicht ihre Frage gewesen, aber trotzdem ist ganz viel von unserem Leben,ganz viel von dem was passiert, tatsächlich viel besser mit Quantenmechanikzu erklären als mit Newtonischer Mechanik.Auch wenn wir immer das Problem haben, dass Newton für uns sehr sichtbar istund sehr greifbar, Dinge fallen runter, die Quantenmechanik eben halt so einbisschen schwierig ist für das Gehirn. Das ist okay, das hat was mit uns zutun, mehr als mit der Quantenmechanik.

Tim Pritlove 0:23:49

Aber dafür gibt es ja Podcast.

Lisa Wörner 0:23:50

Dafür geht es halt am Podcast, genau. Was hat die Quantenmechanik bisher für uns getan?Es gibt ein ganz ganz wichtiges Beispiel, was gerne so ein bisschen vergessen wird.Oder zwei sogar, zwei ganz wichtige Beispiele. Das eine sind Laser.Laser ist auch nur ein Akronym, das ich jetzt bestimmt nicht sinnvoll zusammen bekomme.Da ist irgendwie Light Amplification und das F ist Simulated Emission of Radiation.

Tim Pritlove 0:24:17

Stimulierte Lichtverstärkung.

Lisa Wörner 0:24:20

Genau, Stimulierte Lichtverstärkung. Was dabei ausgenutzt wird,ist eben genau die Energielevels,die sich in einem Atom befinden und auch die kann ich nur sinnvoll erklären,wenn ich die Quantenmechanik zugrunde lege und die Aufenthaltswahrscheinlichkeitenund damit die Energieniveaus berechnen kann und diese dann anregen kann,sodass wir das möglichst gleichförmigeLicht am Ende des Tages rausbekommen, was dann ein Laser ist.Das wird gerne mal bezeichnet als Quantentechnologie in der ersten Generationund sowas, aber da fällt sicherlich der Laser schon drunter.Das zweite Beispiel, das ich hier gerne bringen möchte, was auch nicht ganzso bekannt ist, ist die globale Navigation.Ich werde jetzt versuchen, ganz viel GNSS und Galileo zu sagen.GNSS ist Global Next Generation Satellite System.

Tim Pritlove 0:25:05

Globales Navigationssatellitensystem.

Lisa Wörner 0:25:08

Genau.

Tim Pritlove 0:25:10

Funktioniert auch auf Deutsch ist der Begriff. Prima.

Lisa Wörner 0:25:14

Globales Navigationssatellitensystem und Galileo ist das europäische.Das GNSS fasst Galileo, GLONASS und auch GPS zusammen.Das umfasst so ein paar mehr.Die funktionieren aber am Ende des Tages alle ganz ähnlich an Bord von diesenSystemen sind Frequenzreferenzen.Was ist eine Frequenzreferenz? Das ist im Prinzip ein Laser,den man nochmal stabilisiert hat.Aktuell ist es kein Laser, sondern es ist vor allen Dingen eine Radiofrequenz,die nochmal stabilisiert wird, sodass die möglichst stabil läuft.

Tim Pritlove 0:25:46

Also stabil im Sinne von konstante Frequenz.

Lisa Wörner 0:25:48

Ganz konstante Frequenz, deswegen nennt man das eine Frequenzreferenz.Die gibt ganz konstant immer wieder den gleichen Takt.Ist übrigens das gleiche System was die PTB macht, die Physikalisch TechnischeBundesanstalt in Braunschweig, die die Funkuhren Signatur schickt.Auch die haben eine Cesiumfrequenzreferenz, die gibt einfach ganz konstant basierendauf dem Cesiummolekül hier, basierend auf anderen Systemen eine Frequenzreferenz.Wenn Sie jetzt gerne wissen möchten, wo Sie sind, dann brauchen Sie vier Satelliten,weil wir vier Unbekannte haben. Drei sind klar. Ich brauche irgendwie X,Y und Z. Ich muss wissen, wo bin ich.Wie machen die das? Der erste Satellit schickt ihnen eine Information, die sagt, ich bin jetzt.Der sagt also ich bin 15 Uhr und schickt das zu Ihnen runter und das ist jetztsehr übertrieben, so lange dauert das nicht. Und Sie bekommen das unten undstellen fest ich bin 15 Uhr eins, also ist der eine Sekunde von mir weg.Das heißt ich muss diesen Abstand zu diesem Satelliten haben.Das gibt uns irgendwie so einen Kreis auf der Erdoberfläche.Jetzt sagt mir das der Zweite, dann habe ich zwei Kreise, die haben zwei Schnittpunkte.Und ich bekomme einen Dritten und dann muss ich an einem Punkt sein.Damit ich die Entfernung zu allen drei Satelliten richtig hinbekomme.Ich habe gerade gesagt, wir brauchen vier.Warum brauchen wir vier? Naja, der Punkt ist, dass keiner von uns eine hochgenaueFrequenzreferenz in der Tasche hat. Das heißt, ich muss irgendwie auch wissen, wann bin ich.Und damit habe ich vier unbekannte X, Y, Z und wann.Und damit brauche ich einen vierten Satellit, der mir auch die Zeitsignale übermitteltund damit mache ich die Navigation.Das heißt, Frequenzreferenzen basierend auf kontenmechanischen Prinzipien istetwas, was wir im Moment auch schon benutzen.

Tim Pritlove 0:27:25

Und warum ist das ein quantenmechanisches Prinzip? Weil es mit Wellen zu tunhat und dann nennt man das dann schon so oder?

Lisa Wörner 0:27:33

Weil schlicht und ergreifend das Atom, um das Atom sinnvoll zu beschreiben unddas Atom auch sinnvoll anregen zu können und lauter solche Sachen muss ich dieQuantenmechanik hernehmen.Ich muss die Schrödinger Gleichung für das Elektronen im Feld des Atoms aufstellen,dann bekomme ich diese Energieniveaus, die ich dann anregen kann und daraufkann ich dann die Frequenzreferenz stabilisieren.Damit sind Frequenzreferenzen tatsächlich wirklich quantenmechanische Systeme.Das soll jetzt vielleicht auch ein bisschen helfen, um festzustellen,dass Quantenmechanik nicht so abgehoben ist.Das fühlt sich total normal an. Wir sind unheimlich gewohnt,früher das GPS, das amerikanische System, das Global Positioning System,das gibt es seit Jahrzehnten.Wir sind unheimlich daran gewöhnt, dass das so funktioniert und es ist abertrotzdem ein quantenmechanisches Prinzip, was unten drunter liegt,was es uns ermöglicht, das zu nutzen.

Tim Pritlove 0:28:21

Das ist das quantenmechanische Prinzip, was der Technologie,die im Satelliten verbaut ist, sozusagen unterliegt. Also die Quantentechnologieist im Satellit und beim Empfänger ist es dann am Ende nur noch Mathematik.Aber damit man sozusagen diese hochstabilen Frequenzen so überhaupt bekommenkann, ist eben Quantentechnologie erforderlich.

Lisa Wörner 0:28:37

Richtig.

Tim Pritlove 0:28:40

Kurzer Spagat, mache ich immer ganz gerne, alte Sendung nochmal zu pluggen,Raumzeit Nummer 8, lang ist es her,2011, Felix Antreich eine sehr ausführliche Sendung zu Satelliten-Navigationssystemen gemacht,der ist nämlich beim DLR für Galileo zuständig und genau, kann man mal reinhören,ich glaube das stimmt alles noch, was da gesagt wurde.Das war aber noch vor dem Launch sozusagen.Also das ist quasi bei uns täglich der Fall. Gibt's noch irgendwas,was man auf jeden Fall erwähnen muss?

Lisa Wörner 0:29:14

Wie gesagt, die Zeit, die von der PTB gesetzt wird, wird nach dem gleichen Prinzip gesetzt.

Tim Pritlove 0:29:24

Warum verspricht man sich jetzt so viel davon, dass man ein neues Institut gründen muss?Also man kann ja auch sagen, okay, das mit den Soliden gelöstes Problem läuft.Was braucht man denn jetzt noch?Wo sieht man gerade die Verbesserungspotenziale existierender Technologie undwo zeichnen sich neue Dinge ab, die es vielleicht so bisher noch gar nicht gibt?

Lisa Wörner 0:29:56

Genau. Also ich glaube das Institut ist zur richtigen Zeitpunkt gegründet worden.Schlicht und ergreifend deswegen, weil wir dafür da sind, die Sachen,die Quantenphysik sind, jetzt zu transferieren in das, was Quantentechnologie ist.Und das ist ein ganz wichtiger Übergang. Wir sind im Moment in einer Situation,in der wir viel von der Quantenmechanik und auch von Prototypen so verstandenhaben, dass es ganz viele Ansätze gibt.Und dass wir jetzt dafür da sind, um eben halt viele von diesen Ansätzen auchRealität werden zu lassen.Was häufig, natürlich funktioniert das auch in einem universitären Umfeld undnatürlich gibt es auch die Fraunhofer und es gibt auch die Max Plancks und keineAhnung dieser Welt und ganz viele Industriepartner, die auch schon großes Interesse daran haben.Aber wir als DLR-Institut haben da eben auch nochmal einen sehr speziellen Auftragund können das auch sehr speziell nochmal angehen mit den entsprechenden Ressourcen,die uns zur Verfügung stehen. Ich halte das für ganz wichtig.Und ich halte das auch deswegen für wichtig, weil uns natürlich auch immer wieder gesagt wird,dass Deutschland ein Hochtechnologie-Standort sein möchte und wir hier aucheine ganz wichtige Technologie haben oder eine ganz wichtige,ja sehr breite, das ist Quantentechnologien, wenn wir sofort hinkommen,ist mehr so eine Überschnittstechnologie, die an ganz vielen Stellen eingreifenkann, als dass das ist wie Fahrzeugbau.Wir können im Fahrzeugbau helfen, aber wir sind nicht so eine alleine Säule wie der Fahrzeugbau,sondern wir sind mehr so eine Überschnittsthematik, sodass ich das für ganz wichtig halte,dass wir hier eben auch diese Ressource nutzen und weiter ausbauen und ebendann auch mit der entsprechenden Industriepartner, mit entsprechenden Forschungspartnerndafür sorgen, dass wir die Anwendung finden.

Tim Pritlove 0:31:29

Da hilft es vielleicht auch nochmal kurz auf die Struktur des Instituts zu schauen,weil hier gibt es ja verschiedene Forschungsabteilungen, die heißen dann glaubeich auch so, aber auch nochmal Querschnittsabteilungen.Erklären Sie doch nochmal kurz, was da so der Gedanke dahinter war,warum es sinnvoll ist, das so aufzuspalten, wie es getan wurde und warum.

Lisa Wörner 0:31:50

Bei uns beginnt eigentlich immer alles mit der Idee. Wir fangen vorne an miteiner Idee, welches quantenmechanische Phänomen könnten wir dann nutzen,um eine Applikation zu schaffen?Welches Phänomen gibt es vielleicht, was spannend ist? Oder wo möchten wir nochmalreinschauen? Und natürlich ist das auch so ein sich wiederholender Prozess.Das heißt, selbst wenn wir eine Technologie haben, wird die wieder zurückgeführt.Und wir reden nochmal darüber.Wie können wir die verbessern oder welche anderen Möglichkeiten gibt es da noch?Deswegen haben wir, das ist die erste Querschnittsabteilung,die natürlich mit allen Fachabteilungen auch gemeinsam arbeitet.Das ist die Theorieabteilung, die dafür sorgt, dass das unterfüttert ist,dass das verstanden wird, das Phänomen verstanden wird, um es dann auch richtig einsetzen zu können.Dann kommen danach im Prinzip die drei Fachabteilungen.Die entwickeln tatsächlich vom optischen Tisch das, was man vielleicht in derGrundlagenphysik verstehen würde, wirklich im optischen Tisch,im Labor bis so ein bisschen hin zum Prototypen entwickeln, die die Technologien,die dann spannend sind, bei denen wir Potenzial sehen.Seien das neue Frequenzreferenzen oder neue verschränkte Quellen oder was auchimmer, da gibt es ganz viel oder neue Magnetometer, gibt es ganz viele verschiedeneAnwendungsbereiche, die wir uns da anschauen.Und zum Schluss kommen die anderen beiden Querschnittsabteilungen da wiederdazu, die die dann unterstützen auf dem Weg hin zur nicht wirklich Produktreife,aber zur Prototypenreife oder zur Umsetzung in der Raumfahrt.Das ist einmal die Integration für Mikro- und Namenssysteme,also tatsächlich Miniaturisierung von Systemen ein ganz, ganz großer Punkt.Wenn Sie so, ich weiß nicht, ob Sie mal in einem Labor waren,das sind immer riesige Aufbauten, die kann dann der Postdoc XY bedienen undwenn irgendjemand anders reinkommt, dann zerbricht das ganze Experiment und nichts tut mehr.Das ist natürlich nichts, was wir als Technologie verkaufen können.Das ist nichts, was irgendein Industriepartner haben möchte,sondern die müssen tatsächlich irgendwie idealerweise in eine Schuhbox reinpassenund man hat außen einen Stecker und auf der anderen Seite einen Anknopf unddann funktioniert das von ganz alleine.

Tim Pritlove 0:33:48

Auch noch, wenn man fünfmal mit dem Hammer draufhaut.

Lisa Wörner 0:33:51

Idealerweise auch noch, wenn man fünfmal mit dem Hammer draufhaut oder wennman es auf eine Rakete drauf packt oder sonst irgendwas. Das Ding sollte möglichstidealerweise, wenn man es nochmal fallen lässt, sollte es immer noch funktionieren.Und dafür gibt es eben diese beiden verbleibenden Querschnittsabteilungen,die zweite heißt dann Quantum Engineering, also tatsächlich die Ingenieurwissenschaftda auch mit reinzubringen, mit einzubinden, Power Conception runterzubringen,das System kleiner zu machen, an den Anwendungsfall anzupassen und so weiter und so weiter.Das klingt jetzt so sehr getrennt voneinander, diese Abteilung,und die Aufgaben, das ist es natürlich nicht. Also am Ende des Tages vermischtsich das durchaus auch so ein bisschen.Aber so ist der Grundgedanke des Instituts, um eben von der Idee bis hintenraus zu einem Vorprodukt entwickeln zu können.Ganz wichtig an der Stelle, das Produkt selber machen wir nicht mehr.Das heißt, wir lizenzieren dann oder haben ein Patent oder machen eine Ausgründungoder sowas und versuchen das dann auch, eine unserer Hauptaufgaben,auch in die Industrie zu transferieren, sodass die Technologie dann eben haltdort auch weitergetrieben werden kann.Während wir dann wieder zurückgehen und sagen, top jetzt haben wir dieses Magnetometer,was können wir denn machen, dass das vielleicht noch besser wird oder was könnenwir denn tun, dass wir einen anderen Effekt ausnutzen können oder sowas in der Richtung.

Tim Pritlove 0:35:02

Diese Fachabteilung haben wir jetzt kurz angesprochen, aber noch nicht benannt.Also ich finde das ganz interessant, wie sich das aufteilt.Quantenmetrologie, das sozusagen, das Messwesen, ja?

Lisa Wörner 0:35:17

Das sind die mit den Frequenzreferenzen.

Tim Pritlove 0:35:20

Also mit den besonders stabilen Frequenzen.

Lisa Wörner 0:35:23

Genau und die haben im Moment ein ganz großes Experiment,das nennt sich Kompassung, gemeinsam mit anderen Schwesterinstituten von uns,wo wir versuchen, neue Frequenzreferenzen für dann den späteren Einsatz auchim Navigationsbereich jetzt erstmal auf der ISS vorzubereiten,um eben halt auch zu zeigen, dass wir die auch in der Raumfahrt benutzen können,dass wir sie dort sinnvoll installieren und sinnvoll operieren können.Ganz wichtiges Thema bei der Stelle.Die Abteilung macht zusätzlich dann auch noch so ein bisschen den größeren Kontextder Navigation, wo es dann auch um Inertialsensore geht.Also da wo GNSS Signale verloren gehen, zum Beispiel im Tunnel oder irgendwiewo schlechtes Signal ist, dass sie dann trotzdem noch sinnvoll weiter navigieren können.Dafür entwickeln wir hier dann auch neue Systeme. Auch das wieder gemeinsam mit anderen Systemen.

Tim Pritlove 0:36:12

Kommen wir gleich mal auf diese Projekte. Vielleicht um diese Fachabteilungnochmal benannt zu haben.Also neben dieser Meteorologie gibt es noch dann Quanteninformation und Kommunikation und die Nanophysik.Korrekt. Und ja steigen wir nochmal vielleicht, da wir jetzt schon so viel darübergeredet haben und das relativ anschaulich ist, mit diesen Navigationssystemen ein.Also es gibt ja jetzt schon Navigationssysteme und auch Galileo hat ja im Prinzipwie auch Nachfolgetechnologie bei GPS natürlich auch immer so mit dem Ziel,ist ja mit dem Ziel angetreten noch genauere Ortung zu ermöglichen.Bis hin zu so einem Submeterbereich, ich weiß gar nicht wo jetzt die Auflösungwirklich endet, sind wir da schon im Zentimeterbereich angekommen?Zehn Zentimeter, ich hab's nicht mehr so ganz im Sinne, also auf jeden Fall überhaupt,also Metergenau ist ja auch schon mal was, das hat ja GPS,einfache GPS so nicht geleistet, es gibt ja immer noch so die militärischen Varianten,die immer noch mal ein bisschen genauer sind, die jetzt für die Allgemeinheitnicht so ohne weiteres zugänglich sind,aber Wovon hängt denn das ab, wie genau ein Navigationssystem ist und wie kannjetzt so die Quantentechnologie und konkret das,was jetzt sagen wir mal im Rahmen von Compasso gemacht hat, also was ist hierdie Idee, wie man das verbessern kann?Was braucht es, um bessere Navigationssysteme zu schaffen?

Lisa Wörner 0:37:35

Wir erinnern uns kurz an vorher, wo ich darüber gesprochen habe,dass wir die vier Satelliten brauchen und ich brauche diese Zeitsignale undich habe so ein bisschen gesagt, ja das ist jetzt eine schlechte Abschätzung,der sagt es ist 15 Uhr und ich sage es ist 15 Uhr eins und je genauer ich diesenZeitunterschied kenne,desto genauer weiß ich auch, wo ich bin, also desto genauer weiß ich,wie weit ist der von mir entfernt und desto genauer bekomme ich die Positionierung.Das heißt, die Positionierung auf dem Boden hängt direkt, ist direkt proportionaloder hängt direkt ab von der Frequenzstabilität der Frequenzreferenz im Orbit.Jetzt gibt es da zwei Punkte. Das eine ist zu sagen, die ist möglichst stabil.Das ist das eine. Also wie genau ist der Taktgeber? Und das zweite ist,die Genauigkeit kann auch dadurch erhöht werden, dass man eine kürzere Wellenlänge nimmt.Das ist so, wie wenn Sie jetzt versuchen, mit einem normalen Lineal Submillimeterlängenzu messen. Dann werden Sie einen relativ großen Fehler machen.So ähnlich ist das hier auch. Je kürzer das Lineal, also je kürzer die Wellenlänge,desto genauer kann die Messung passieren.Und die Frequenzreferenzen, die wir jetzt entwickeln, sind im Optischen.Und die optische Wellenlänge ist einfach kürzer als die Radiofrequenzwellenlänge,sodass wir uns da auch schon durch das Konzept, durch diese neue Technologieeine Verbesserung der Zeitreferenz erhoffen.

Tim Pritlove 0:38:50

Aber hat man dann in dem Frequenzbereich nicht ein Problem mit Verschattungund so weiter, weil das geht ja dann nicht mehr überall durch.

Lisa Wörner 0:38:57

Man gibt nicht das optische Signal runter. Zumindest nicht in dieser erstenPhase. Es gibt dann andere Konstellationen.Das ist nicht mehr bei uns so sehr stark angesiedelt, sondern da gibt es dasInstitut für Kommunikation und Navigation in München und das sogenannte Galileo-Kompetenzzentrumauch in DLR, eine DLR-Einrichtung auch in München,die sich dann sehr stark mit Gesamtkonstellationsideen für die nächste Generation GNSS beschäftigen.Für mich ist hier erst mal zu sagen, diese optische Frequenzreferenz.Verbessert das Zeitsignal, was wir bekommen können und dann gibt es später soIdeen von Konstellationen wie zum Beispiel die Kepler Konstellation,die dann auch optische Frequenzreferenz mit optischen Links hat und natürlich Sachen.

Tim Pritlove 0:39:38

Also wir reden jetzt sozusagen das ganze auf Lichtbasis zu machen,um sozusagen einen genaueren Takt für die Generierung des eigentlichen Signales zu liefern.

Lisa Wörner 0:39:46

Man tauscht das dann, man tauscht das dann in ein Radiofrequenzsignal und schicktdann das Radiofrequenzsignal.

Tim Pritlove 0:39:51

Und von was für Differenzen reden wir jetzt hier,also welche Frequenz kommt so üblicherweise, also welche konkrete Frequenz wirdjetzt von so einem Galileo Satellit, in welchem Bereich bewegt sich das undvon was für Differenzen sprechen wir jetzt hier, die ein Problem sind?Kann man das irgendwie quantifizieren?

Lisa Wörner 0:40:11

Da erwischen sie mich ganz, ganz kalt. Da kann ich ihnen nicht so wahnsinnigviel helfen. Das war Episode 8, die wir vielleicht an dieser Stelle einfachnochmal referenzieren wollen.Ich glaube, dass die Experten ihnen da einfach viel besser weiterhelfen können,als ich die, ich kann ein bisschen was sagen zu der Frequenzvergleichs.

Tim Pritlove 0:40:27

Stabilität heißt ja, dass wenn die nächste Welle kommt, dass die nicht zu früh, nicht zu spät kommt.Davon reden wir. Also dass es keine Schwankungen innerhalb dieser Frequenz gibt,weil eine Frequenz an sich ist ja erstmal einfach erzeugt, aber ein stabilesSignal, das ist sozusagen das Ziel.

Lisa Wörner 0:40:45

Genau, es geht darum, dass die Wellenlänge oder die Frequenz eben immer gleichlang ist und das ist überraschenderweise bei einem Laser als solchen zwar schon der Fall,aber die schwanken immer noch relativ breit, das nennen wir dann die Bandbreiteund die versuchen wir hier einfach runter zu bekommen, um dann eben halt einehöhere Genauigkeit zu bekommen.

Tim Pritlove 0:41:06

So ein Jitter, den man da raus holen will.Und was wird jetzt bei COMPASSO konkret getan, um da voranzukommen?Also das ist ja ein Experiment auf der ISS, das ist da auch schon. Nee, das kommt da hin.

Lisa Wörner 0:41:22

Das kommt da hin.Kompasso ist ein Experiment, was genau zeigen soll, dass wir diese Experimenteoder diese Systeme, die wir brauchen, um eine Kepler-Konstellation,um eine nächste Generation GNSS zu bauen, dass wir die verifizieren.Und genau das, was wir vorhin hatten, mit dem wir lassen das runterfallen oderich werfe mit dem Hammer drauf,kann das, überlebt das den Raketenstart, überlebt das die Operation in Orbit,das ist nur auf der ISS, Das ist von der Strahlung her noch relativ harmlosim Vergleich zu dem, was Galileo-Satelliten aushalten müssen,aber kann ich das auch remote von dem Boden aus operieren?COMPASSO kann mehr als nur die optische Frequenzreferenz. Die optische Frequenzreferenz,die Iod-Referenz liegt bei uns, deswegen ist das für mich so ein ganz wichtiges Thema dabei,die eben dann auch als Taktgeber für zukünftige Satelliten-Missionen geplantwird und wo wir natürlich auch versuchen, das entsprechend umzusetzen,aber da ist noch mehr drauf.Da ist ein sogenannter Frequenzkam drauf, der von einem Industriepartner gebautwird, von Manlo Systems, der das optische Signal mit einem Radiofrequenzsignal vergleicht.Also das macht die Umsetzung von den optischen Signalen in Radiofrequenzsignale.Das ist nicht trivial, da gab es einen Nobelpreis für Herrn Hensch in München,worauf basierend dann auch diese Firma gegründet wurde, soweit ich weiß.

Tim Pritlove 0:42:41

Frequenzkamm ist eine Messmethode oder Mess...

Lisa Wörner 0:42:45

Ist wie ein Transformator.Ein Transformator der Wellenlänge im Prinzip.Der vergleicht die optische, die er dann wirklich auch weit weg legt,mit der Radiofrequenz. Ganz spannendes System, ganz lustig.Über Frequenzkämmer könnten wir auch alleine nochmal sprechen.Ist wirklich ein bisschen was in der komplizierteren Technologie.

Tim Pritlove 0:43:05

Okay aber Compasso ist selbst ein, also was macht das Gerät letztlich,was auf der ISS ist dann konkret und welche Rolle spielt Jod dabei? Genau.

Lisa Wörner 0:43:16

COMPASSO macht verschiedene Dinge. Also das eine ist, wir zeigen,dass das Jodsystem funktioniert, dass die Frequenzreferenz funktioniert,dass es so funktioniert, wie wir das tun wollen.Es übermittelt die Frequenz dann auch optisch auf den Boden.Das heißt, wir haben auch ein optisches Terminal gemeinsam mit München,mit den Instituten in München und mit dem Industriepartner TESAT,wo wir dann das optische Signal mit einem Terminal auf den Boden bringen undauch vom Boden wieder rauf, sodass wir da Signale vergleichen können.Und das ist wirklich ganz zentral oder auch ein wichtiges Thema dabei,macht diese Konversion in den Radiofrequenzbereich, um eben auch mit bestehendenGNSS Systemen zusammenarbeiten zu können.

Tim Pritlove 0:43:55

Also es wird jetzt schon so ein Modul, was an der Außenhaut der ISS installiertwird und konkret in Kommunikation tritt mit der Erde, damit man einfach realeKommunikation, Frequenzkommunikation betreiben kann.

Lisa Wörner 0:44:07

Genau.

Tim Pritlove 0:44:08

Und das Ziel ist sozusagen, also letzten Endes ist das genauso wie die Atomuhr in Braunschweig.Also es geht darum einfach ein sehr klares Signal zu erzeugen.Aber die Hoffnung ist, dass man jetzt auf Basis von Jodatomen das irgendwie genauer hinbekommt.

Lisa Wörner 0:44:27

Genau und Jod hat hier noch andere Vorteile. Also die PTB, ich weiß nicht obSie da mal waren, das funktioniert auf dem Zerfall von dem Cesiumatom.Das ist eine riesige Anlage, unsere Jodreferenz passt eben in so einen Schuhkarton rein,sodass wir die ganzen Dinge, die die Raumfahrt mitbringen, das System muss robustsein, das heißt es muss die ganzen Stöße und Störungen aushalten beim Start,das muss auch die Integration auf der Außenhaut der ISS überleben.Das System muss resilient sein, also es muss sich möglichst alleine wiederherstellenkönnen im Falle eines Fehlers.Das System muss automatisiert sein.Ich kann keine Astronauten da, die das dann mit Knöpfchen drücken und vielleichtauch nochmal justieren und Leute solche Themen.Das heißt, das muss auch automatisiert laufen und es muss klein sein und möglichstwenig Stromverbrauch haben.Das sind alles so Themen, die wir durch dieses Experiment eben auch zeigen könnenoder durch diese Nutzlast zeigen können und damit eben verifizieren können,dass die Technologien, die wir hier entwickeln, auch das tun,was wir gerne von ihnen haben möchten.Also das ist eine Verifikation der optischen Technologien in Orbit am Ende des Tages.

Tim Pritlove 0:45:34

Und das Ziel ist letzten Endes damit so ein Technologiedemonstrator zu machen.Hier mit diesem Ansatz auf Basis von Jodatomen können wir einfach nochmal vielgeilere Frequenzen erzeugen.Habt ihr noch nie gesehen so scharfkantig. Funktioniert super.

Lisa Wörner 0:45:54

Genau. Ich glaube vor dem Gespräch angesprochen, dass Raumfahrt immer gerneso zehn Jahre hinterher ist. Das hat was damit zu tun, dass in der Raumfahrtvor allen Dingen bekannte, verstandene Technologie benutzt wird.Verständlicherweise. So ein Satellit ist sehr sehr teuer.Wenn ich den in einen geostationären Orbit gebracht habe, komme ich da auchnicht mehr so ohne weiteres dran. Das heißt die Technologie,die an Bord ist, muss funktionieren.

Tim Pritlove 0:46:15

Gut abgehangen sagt man.

Lisa Wörner 0:46:16

Genau, gut abgehangen. Und für uns ist dieser Schritt zu COMPASSO sozusagenein Schritt vorwärts, um zu zeigen, dass die Technologie so funktioniert,wie wir sie versprechen.Und das ist für uns ein Schritt auf dem Weg hin zu Next Generation Navigation Systems.

Tim Pritlove 0:46:36

Ist COMPASSO nach diesem Tänzer benannt?

Lisa Wörner 0:46:38

Der Name von COMPASSO ist eine lustige Quiste.Es ist kein Akronym, sondern es geht ja hier dabei auch darum zu zeigen,dass wir eben diese Kepler-Konstellation bedienen möchten oder dass das so einerder Wege ist für die COMPASSO-Technologien und auch die Galileo-Thematik einso ein Thema ist dafür und gleichzeitig möchten wir auch zeigen,dass es eben in die Navigation gehört.Kompass ist ja auch etwas, was für die Navigation nutzt.Und Kompasso ist einer der ersten Rechenschieber, den Galileo und Kepler zusammenverwendet haben, also es ist so ein bisschen deren Pfadfinder gewesen,so wie jetzt unser Experiment der Pfadfinder für zukünftige Galileo-Systemeist oder zukünftige Kepler-Systeme.

Tim Pritlove 0:47:21

Alright. Hat immer alles einen Hintergrund.

Lisa Wörner 0:47:27

Es hat immer alles einen Hintergrund. Wir benennen nicht aus Versehen.

Tim Pritlove 0:47:35

Jetzt hatten wir vorhin schon das Projekt BECAL erwähnt. Das scheint ja hiereine wichtige Rolle zu spielen. Was hat es denn damit auf sich?

Lisa Wörner 0:47:43

BECAL ist ein tolles Experiment. BECAL ist tatsächlich ein Akronym.Steht für Bose-Einstand Condensate and Cold Atom Laboratory.Was uns auch schon ganz viel über das sagt, was das Experiment kann und soll.BKAL soll auf der ISS kalte Atome, ein sogenanntes Bose-Einstand-Kondensat,also man kühlt und kühlt und kühlt und kühlt die Atome, bis sie nicht mehr durcheine eigene, einzelne Wellenfunktion beschrieben wird, sondern auf einmal diesesganze Konglomerat an Atomen mit einer Wellenlänge beschrieben wird.Für das erste Bose-Einstand-Kondensat gab es den Nobelpreis,ich meine Anfang der 90er.Also auch noch gar keine so alte Technologie, die wir da jetzt benutzen, naja 30 Jahre.

Tim Pritlove 0:48:23

Also ein spezieller Zustand, in dem sich eine bestimmte Art von Materie,aber nicht jegliche Art von Materie befinden kann?

Lisa Wörner 0:48:30

Ja genau, also im Prinzip ist das ein Zustand der Materie wie das, was sie sonst so kennen.Sie kennen sicherlich Festkörper und Flüssig und sie kennen Gas und vielleicht,nachdem ich vorhin so lange darüber gesprochen habe, jetzt auch Plasma nochals zusätzlichen Zustand.Und wenn man das weiter kühlt und kühlt und kühlt und kühlt,dann kommt man zu dem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat, also einem Kondensationsvorgang.Es können nicht alle Teilchen tatsächlich kondensieren, sondern nur die,die der Bose-Einstein-Statistik folgen, sogenannte Bosonen.Das hat was mit dem Spin zu tun.Da gibt es den großen Unterschied zu haben zum Beispiel elektronenhalbzahligenSpin, sagt man dazu. Das ist eine Quantenzahl, die dann bestimmt,wie sich das Teilchen verhält.Während zum Beispiel Protonen und Neutronen, nein das stimmt nicht,die haben auch halbzahligen Spin.Jetzt fällt mir kein gutes Beispiel ein, die Wechselwirkungs-Bosonen haben ganzzahligen Spin.Das Higgs-Boson, ein typisches Boson, hat ganzzahligen Spin und danach trenntsich das auch. Also das, was halbzahligen Spin hat, nennen wir ein Fermion,nach Fermi und das, was ganzzahligen Spin hat, nennen wir ein Boson, nach Herrn Bose.Und bei BKL schauen wir uns eben halt genau Bosonen an, die diese Kondensationuntergehen können. Elektronen können das, Fermionen können diese Kondensationnicht in dieser Form unterlaufen.Die kann man trotzdem kühlen und man kann dann ganz viel spannende Systematiken damit machen.Aber die Kondensation geht eben vor allen Dingen mit den Bosonen.

Tim Pritlove 0:49:57

Wie zum Beispiel das Photon.

Lisa Wörner 0:50:00

Das Photon ist auch ein Boson. Wir benutzen in diesem Fall Rubidium-Atome undKalium-Atome, die dann sowohl bosonisch wie auch fermionisch vorkommen und wir benutzen da die.

Tim Pritlove 0:50:12

Okay, also ein bestimmter Ausschnitt aus dem Teilchen-Zoo hat atomare Eigenschaften,die es ermöglichen, dass man dieses Zeug in diesen Zustand bekommt,den man sich quasi als weiteren Zustand neben dem, was man so kennt mit festflüssig, gasförmig etc.Trifft, aber das findet eben nur statt, wenn es alles sehr kalt ist.Aber wozu braucht man das?

Lisa Wörner 0:50:36

Ja, also erstmal ist das, das ist ja jetzt genau dieser Punkt,an dem wir jetzt an dem Überschritt sind von der Quantenmechanik hin zur Quantentechnologie.Quantenmechanisch ist dieser Zustand alleine super spannend.Ganz spannender Zustand, passieren ganz toll viele Sachen.

Tim Pritlove 0:50:50

Da sitzt der Forscher und staunt.

Lisa Wörner 0:50:52

Da sitzt der Forscher und staunt und ist ganz glücklich darüber und dann kannman damit ganz, ganz viele tolle Sachen machen. Das erste, was man damit machenkann, ist tatsächlich, also wir haben jetzt zwei Dinge.Das eine ist, diese Atome haben Masse. Das heißt, ich habe so eine Wolke,die hat Masse. Die folgt einer Beschleunigung. Feld zum Beispiel im Erdgravitationsfeld.Das ist jetzt der eine Punkt. Der zweite Punkt, der ist fast noch wichtiger.Ich habe über diese Wolke eine Wellenfunktion drüber liegen.Ein anderes System, was eine Wellenfunktion hat, die das sehr toll beschreibt, ist ein Laser.Da habe ich einfach diese eine Wellenlänge, die beschreibt, der Laser ist super,der ist total stabil, vielleicht habe ich ihn auch noch stabilisiert,ich bin total glücklich.Dann mache ich damit Interferometrie, um Dinge zu vermessen.Abstände oder Bewegungen oder sonst irgendwas. Aber immer das Problem,dass der Laser selber nicht Masse behaftet, ist der Laserstrahl als solcher.Das heißt ich kann nur die Bewegung dadurch messen, dass sich irgendwie einAbstand verändert oder dass irgendwie eine Testmasse sich verändert.

Tim Pritlove 0:51:49

So wie man zum Beispiel Gravitationswellen misst, indem man Laser wohin schicktmit dem Spiegel wieder zurück und wenn sich da zwischen der Raum expandiert,dann ändert sich die Frequenz des Lasers und daraus kann man das dann ablesen.

Lisa Wörner 0:52:01

Nicht die Frequenz, sondern nur das Interferogramm am Ende.

Tim Pritlove 0:52:05

Achso ja okay, also die beiden, also man schickt ja zwei im 90 Grad Winkel undguckt ob die sozusagen danach auch wieder überlagern und wenn nicht dann hatsich halt der Raum bewegt, gekrümmt oder?

Lisa Wörner 0:52:18

Genau, dann ist die Distanz kürzer geworden und auf einmal ist da wo die beidenWellenberge war, es ist jetzt vielleicht ein Wellenberg und ein Wellental unddas löst sich auf und auf einmal, das sieht man ganz schön, dann wandert dasInterferenzmuster am Ende so ein bisschen.Das ist genau das, was man macht. Also ein super schönes Beispiel dafür, absolut.LIGO und auch LISA. LIGO ist der auf der Erde, LISA ist der im All.

Tim Pritlove 0:52:40

Der irgendwann mal im All sein soll, ja genau. Kommt noch.

Lisa Wörner 0:52:43

Kommt noch. Total spannendes Experiment. Und wir haben jetzt den Vorteil,dass wir diese Wellenfunktion haben, aber das System ist in sich massenbehaftet.Das heißt, ich kann jetzt, wenn ich mit den...Also die Interferometrie mit den Atomen machen, nicht mehr an den Atomen.Also ich habe keinen, es ist nicht so, dass ich mit einem Laser reingehe undden zurückgehe und ich gucke dann in der Laserinterferenz nach,sondern ich benutze die Atome, um damit Interferenz zu machen.So ähnlich wie vorher mit den Fullerenen am Doppelspalt.Nur dass wir jetzt die Spalten durch Laser erzeugen, es wird sehr, sehr kompliziert dann.Kann ich damit Interferenz machen und kann eben mit diesen Atomen jetzt Systeme probieren.Insbesondere Beschleunigung. Und eines der ersten Experimente,was man damit versucht hat zu machen, ist die Äquivalenz des freien Falls zu untersuchen.Ganz spannendes System. Wenn Sie jetzt eine Feder und eine Bleikugel fallenlassen, dann behaupte ich, dass die gleich schnell fallen. Und dann sagen Sie,nein, das tun Sie nicht. Und dann sage ich ihnen, ja dann haben sie noch ein Luftproblem.Und dann nehmen wir die Luft raus und auf einmal sehen wir, dass die gleichzeitig fallen.Für interessierte Zuhörer, es gibt da ein tolles Video von der NASA,man sieht nicht so richtig viel drauf, aber ich glaube Neil Armstrong hat dastatsächlich auf dem Mond gemacht.Da hat er einen Hammer und eine Feder oder sowas auf den Mond fallen lassenund man sieht auf diesem Video auch wie das gleichzeitig fällt und das ist eine spannende Frage.Ist tatsächlich dieses Äquivalenzprinzip, dieses Einstein'sche Äquivalenzprinzip,Ist das valide bis überall oder finden wir da eine Verletzung?Das ist eine totale Grundlagenthematik, aber die kann man mit diesen kaltenAtomen eben untersuchen.Das wurde gemacht oder wird jetzt geplant auf einer sogenannten Höhenforschungsrakete,wo man ein Bose-Einstein-Kondensat auf eine Rakete packt, schickt das hoch undes kommt wieder runter. Sechs Minuten Schwerelosigkeit und kann in dieser Zeiteben Experimente machen.Um das zu tun, muss man zwei verschiedene Massen miteinander vergleichen.Ich muss also zwei verschiedene schwere Objekte haben und gucken,wie fallen die im gravitativen Potenzial.Bei uns machen wir das mit überraschenderweise Rubidium und Kalium.Man vergleicht das Fallen, die Beschleunigung in dem Gravitationsfeld durchsehr genaue Interferenz an diesen Testteilchen und kann damit dann zum Beispieldas Äquivalenzprinzip vermessen.Jetzt habe ich schon gesagt, ich kann damit also Beschleunigung messen,wie zum Beispiel die Erdgravitation.Super, dann kann ich das bestimmt auch für andere Dinge einsetzen.Also hier wäre die Quantenmechanik als Sensor für andere Fundamentalphysik gewesenund jetzt ist die Frage, kann ich diesen Sensor, den ich für die fundamentalePhysik eingesetzt habe, nicht auch für alles andere nutzen?Gibt es nicht vielleicht noch andere Anwendungsgebiete, in denen ich das benutzen kann?

Tim Pritlove 0:55:34

Vermessung der Erdschwere, gab es ja schon einige Systeme, Goethe aus Europaund ich glaube die Amerikaner hatten auch noch zwei, drei. Grace. Grace, genau.Und das ist ja schon ganz gut vermessen. Aber man will ja immer genauer sein.Wie, also das heißt, ich stelle mir das jetzt so ein bisschen vor,es gibt da halt so einen Kühlschrank, da ist irgendwie dieses Einstein-Bosel-Kondensat da drin,sozusagen so eine, wie soll ich es nennen, Also so ein Gemisch in diesem Zauberzustand,in dem sich alles irgendwie gleichförmig verhält, wie kann man dem denn jetztsozusagen diesen Messwert entlocken?Also wie fällt das an? Also die Gravitation wirkt dann halt auf diese Masse ein.Und wie kriege ich dann diesen Wert heraus? Woran kann ich feststellen,aha da rupft jetzt was hier an meinem Kondensat?

Lisa Wörner 0:56:31

Also zunächst mal machen wir hier keine Zauberzustände.

Tim Pritlove 0:56:33

Das funktioniert alles, das ist alles tatsächlich… Bevor ich jetzt irgendeinenVergleich mit Eis und Gas und so weiter mache, es ist ja ein anderer Zustand,was weiß ich, ich hab's ja noch nicht gesehen, vielleicht sieht das ja ganz irre aus.

Lisa Wörner 0:56:43

Ja, das ist Ei… ja, genau. Das kondensiert… ich nutze immer gerne die Jugendlichen,die sich hinten im Bus alle auf den gleichen Sitzplatz setzen.

Tim Pritlove 0:56:51

Also ich hab einfach gelernt, alles was jenseits unseres bisherigen Verstehensist, ist das was man Magie nennt. Also von daher ist das für mich jetzt alsZauberzustand ganz wertfrei.

Lisa Wörner 0:57:03

Genau, genau deswegen ist es für mich keine. Natürlich brauchen wir da so einbisschen Geschick und geschultes Personal, da steckt ganz viel Knowhow drin, es ist aber keine Magie.Wir verstehen wie die Systeme funktionieren.

Tim Pritlove 0:57:16

Aber wie entlockt man dem jetzt sozusagen diesem Zeug einen Messwert?Bei dem Laser verstehe ich das aber.

Lisa Wörner 0:57:23

Das wird jetzt ein bisschen tricky für mich zu erklären ohne dass ich dabeiBilder malen darf. Das ist die Kunst.

Tim Pritlove 0:57:30

Prinzip ist wichtig.

Lisa Wörner 0:57:32

Normalerweise fange ich jetzt an zu malen, weil dann erklärt das sich so einbisschen einfacher. Also, was man macht, ist...Wenn Sie sich jetzt vorstellen, Sie haben diese Atomwolke und jetzt nutzen wireinen ersten Laserstrahl und teilen die in zwei Anteile.Das ist im Prinzip genauso wie das,was bei LIGO passiert. Man nimmt den Laserstrahl und teilt ihn in zwei.Dann mache ich eine Rückreflexion mit einem zweiten Laserstrahl,sodass die wieder aufeinander zufallen und in einem dritten teile ich wieder jeden von denen,sodass ich am Ende dann zwei Massen bekomme, in denen sich die beiden dann überlagern,in denen ich einen Anteil von dem unteren Ast habe, der mit dem oberen Ast überlagertund einen Anteil, in dem sich der obere mit dem unteren überlagert.Sodass ich am Ende zwei Auslesewolken habe am Ende des Tages.

Tim Pritlove 0:58:23

Also man geht richtig konkret mit dem Laser durch dieses Kondensat durch.

Lisa Wörner 0:58:27

Genau. Nur dass der Laser hier wirkt wie bei dem Laser-Experiment die Spiegel und die Strahlteile.Das heißt der Laser ist zunächst ein Strahlteiler, dann ein Spiegel und wieder ein Strahlteiler.Und solange wir keine Gravitation haben, bewegen die sich eben auf diesem Pfadund ich kombiniere sie hinten und ich sehe keine Veränderung in dem Endresultat.Und jetzt ganz ähnlich wie bei Ligo und Lisa, wenn sich das jetzt im Gravitationspotentialbewegt, dann fallen die nach unten.Das heißt, ich verändere die Länge dieser Wege und damit auch verändere ichauch das Auslesesignal und kann dann aus dem Auslesesignal die Beschleunigungablesen, die ich vermessen habe.Und jetzt haben Sie gerade die beiden Experimente angesprochen,GOCE und GRACE, die funktionieren ein bisschen unterschiedlich.GOCE vermisst eine Gradiometrie, also die Veränderung des Gravitationsgradientenentlang des Gravitationsvektors.Das kann ich also hier genauso machen. Ich messe also an zwei übereinander geordnetenPositionen entlang des Gravitationsvektors,die Gravitation mit dem Atometerferometer und bekomme einen Gravitationsgradiometer,eine Goethe-artige Konstellation mit einem Satelliten, die das Erdschwerfeld vermisst.Und bei GRACE ist die Situation ein bisschen anders. Bei GRACE hat man zweioder mehr, wir lassen mal diese ganzen anderen Konstellationen,wo dann irgendwie mit drei vorgeschlagen wurde und dann so zueinander verkipptund so, das lassen wir mal alles raus.Gehen wir mal von der einfachen GRACE Konfiguration aus. Da habe ich zwei Satelliten,die fliegen hintereinander her.Und wenn jetzt unten drunter eine höhere Masse ist, zum Beispiel im Berg,dann wird die Beschleunigung durch diese höhere Masse größer.Das heißt der erste wird von dem zweiten wegbeschleunigt und die Entfernungzwischen den beiden wird größer.Dann fliegt der drüber, wird gebremst und dann kommt der zweite hin und wirdbeschleunigt, dann wird der Abstand kleiner. Wenn der zweite drüber geflogenist, wird der auch gebremst und wir haben wieder den Originalabstand zwischen den beiden.Damit messe ich das Gravitationspotential. Ich mache einfach eine Entfernungsmessungzwischen diesen beiden Satelliten.

Tim Pritlove 1:00:34

Ganz einfach.

Lisa Wörner 1:00:34

Ganz einfach. Also schon das Tracking ist super simpel. Verstehe gar nicht. Total einfach.Dabei ist es jetzt ganz wichtig, dass ich unterscheiden kann,ist diese Abstandsmessung, die ich mache, ist das tatsächlich ein gravitativesSignal oder liegt das daran, dass diese Satelliten gewackelt haben?Das heißt hierbei kann man Atominterferometer einsetzen, um die Beschleunigungdes Satelliten zu vermessen und das Signal dann eben zu trennen von dem Gravitationssignal.Wichtig an der Stelle, BKL machen wir hier auch,aber der Hauptanteil von BKL,also das Physics-Package liegt bei einem Schwesterinstitut in Hannover,bei dem Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik und wir haben ganz,ganz viele nationale Partner da drin, die verschiedene Systeme bauen,das Lasersystem, die Elektronik.In die Infrastruktur und dann auch noch ganz wichtig, BKL ist eine Kollaborationmit der NASA, die uns dann auf die ISS bringt und die ISS zur Verfügung stellt.Warum sage ich das alles?Weil diese Erdbeobachtungsmissionen danach, diese GOCHA-artigen,also die Gradiometrie und die Gravimetrie,die GRACE-artigen Experimente, das ist alles ganz viel Expertise,die auch in Hannover liegt, bei dem Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik,die dann auch tatsächlich Abteilungen haben, die diese Laser-Link-Systematik im Griff haben.Offensichtlich ist es so einfach, dass wir eine ganze Abteilung dafür brauchen,die die Atominterferometrie da drin im Griff haben,die dann die Modellierung des Ergebnisses,also die Rückführung dieser Abstandsmessung auf ein Gravitationssignal,auf eine tatsächliche Gravitationsfeldkarte zurückführen, lauter solche Sachen.Also da passiert ganz viel in verschiedenen Dingen.

Tim Pritlove 1:02:19

Ich muss ja nochmal fragen, was die Erwartung ist und wie viel genauer man soeine Messung dann mit diesem Kondensat durchführen kann als mit diesen anderen Methoden.

Lisa Wörner 1:02:28

Also eines der Hauptdinge und da gibt es eine Studie,die viel Kritik auch erfahren hat, weil die relativ einfache Modelle reingesteckt haben,ist, dass man damit die, also zum einen natürlich macht man die Sensitivitätbesser, aber das was man eben auch wegbekommt ist die Drift.Das ist das, was wir vorher auch bei der Navigation hatten, die Ihnen die Navigationim Auto kaputt macht, wenn Sie in den Tunnel reinfahren.Dann reibt das an irgendwas und dann geht das irgendwie mit der Zeit daneben.Und so ähnlich ist das hier auch.Die Systeme, die wir im Moment verwenden, die haben alle irgendwie eine Reibung an irgendetwas.Also ich muss irgendwie immer, ja den Beschleunigungssensor,den ich drin habe, muss ich immer irgendwo festhalten, damit er mir sagen kann,wie stark das System sich bewegt.Diese Drift haben die Atominterferometer nicht, sodass ich immer einen absolutenVergleich bekomme über die verschiedenen Orbits und damit auch eine bessereÜbersicht über Streifen, die nebeneinander passieren.Also wenn der Satellit 2 benachbarte Orbits überfliegt,dann bekommt man da im Klassischen ein sogenanntes Striping und auch diesesStriping wird man reduzieren können mithilfe von dieser … Weil einfach quasidie Messfehler geringer werden und man nicht mehr so unterschiedliche,grundlegende Daten hat.

Tim Pritlove 1:03:48

Beim zweiten Mal rüber, es nähert sich alles vom Messergebnis mehr aneinanderan. Genau. Okay, nachvollziehbar.Jetzt diese, das Beispiel ist ja jetzt schon ein paar mal gefallen und das istja auch sagen wir mal etwas, was man so aus der normalen Lebenswelt eben auchkennt, so diese Navigation in Tunneln.Ich hatte da schon, als das so losging mit diesen Handys und mit den Ordnungen und so,kennt ja jeder, man fährt da so in den Tunnel rein und dann auf einmal so,ja ich seh keinen Satelliten mehr und WLAN gibt's ja auch nicht,was mir weiterhelfen kann und der Tunnelbetreiber hat jetzt auch sonst hierkeine Beacons installiert, die sagen würden wo man jetzt gerade ist und derTunnel ist so ein bisschen länger und windet sich jetzt durch die Alpen.Klar, dann funktioniert natürlich eine Satellitennavigation nicht mehr,aber die Telefone haben ja einen Beschleunigungssensor da drin und so rein theoretisch,rein theoretisch müsste man ja jetzt durch kontinuierliches Auslesen diesesBeschleunigungssensors nachvollziehenkönnen, wie das Auto sich denn nun durch diesen Tunnel bewegt.Aber man hört es schon, sie schütteln mit dem Kopf. Leider nein.Ganz so einfach ist es dann doch nicht.

Lisa Wörner 1:05:11

Also das funktioniert für eine gewisse Zeit, der Beschleunigungssensor,insbesondere der im Auto, der weiß ja auch wann ich lenke und so,aber da ist eben immer diese mechanische Reibung mit drin, die eine Drift erzeugt.

Tim Pritlove 1:05:23

Aber in meinem Telefon noch nicht.

Lisa Wörner 1:05:25

Auch in dem System in ihrem Telefon erzeugt der eine Reibung,der muss ja irgendwie festgehalten werden, die Masse muss ja irgendwie ausgelesenwerden, die ist ja nicht schwerelos da drin. Dafür, dafür.Dafür liegt das jetzt auch schon zu lange auf dem Tisch, als dass ich glaube,dass das schwerelos da drin ist.

Tim Pritlove 1:05:40

Ja okay, also sozusagen die Schwerkraft zieht ja permanent an diesem Sensor.Also wenn man mit dem Computer so einen ganz normalen Beschleunigungssensorausliest von einem Telefon, was auf dem Tisch liegt, dann liefert das ja dieganze Zeit eine Beschleunigung, weil ja die Erdbeschleunigung die ganze Zeit drauf wirkt.

Lisa Wörner 1:05:57

Das ist richtig, das ist aber nicht das Problem. Das Problem ist,dass der Sensor an irgendwas fest sein muss.Damit der eben halt irgendein Signal gibt, muss der ja irgendwie sich bewegen können.Ich muss diese Bewegung auslesen und ich muss den irgendwo halten.Es gibt die elektrostatischen, aber auch die elektrostatischen müssen,halten das System fest. Der hält das elektrostatisch in dieser Position unddann wackelt das da drin. Das heißt aber ich habe immer noch eine Reibung.Also ich habe immer noch irgendwie eine rückstellende Kraft,die das System wieder in den Ursprungszustand zurückbringt und das sorgt für die Drift.Und die Drift sorgt dafür, dass nach relativ kurzer Zeit, tatsächlich auch imTunnel, nach relativ kurzer Zeit die Genauigkeit der Position stark runtergeht.Bei ihrem Handy haben sie da noch den Vorteil, dass sie, solange sie noch Signalhaben, also noch Mobilfunksignal, kann das auch noch helfen.Das macht dann eine Triangulation über die verbundenen Masten.Das kann helfen, aber nehmen wir das mal weg, dann haben Sie einfach nur diesenInertialsensor und der kommt sehr, sehr schnell an seine Grenzen und brauchtsehr schnell wieder ein GNSS-Signal, um zu sagen, ach so, da bin ich.Das sehen Sie auch daran, wenn Sie Ihr Handy aufmachen und Sie haben diesenkleinen blauen Punkt in der Mitte und dann ist da dieser große blaue Kreis außenrum,der sagt, das ist die Genauigkeit Ihrer aktuellen Position. Das hat genau was damit zu tun.Das wird immer, also wenn wir jetzt kein GNSS hätten und kein Telekom und siewürden damit loslaufen, dann würde dieser blaue Kreis sehr schnell immer immergrößer werden, weil er immer ungenauer weiß, wo sie sind.

Tim Pritlove 1:07:28

Der Kreis der Unsicherheit.

Lisa Wörner 1:07:29

Der Kreis der Unsicherheit. Den können wir hier mit Inertialsensorik basierendauf Quantentechnologien eben durch diese Driftfreiheit in dem Sensor,können wir den reduzieren.

Tim Pritlove 1:07:38

Und diese Driftfreiheit, die leitet sich woraus genau ab?Bezieht sich das jetzt auch wieder auf dieses Bose-Einstein-Kondensat oder redenwir jetzt noch von einer anderen Anwendung?

Lisa Wörner 1:07:55

Man kann das auch auf der Erde machen, aber bleiben wir mal bei dem Bose-Einstein-Kondensatund bleiben wir mal bei den GRACE-Satelliten, bei denen ich ja im Prinzip dieInertialsensorik genau dafür benutze.Dann habe ich eben den Vorteil, dass dieses System frei mit dem Satelliten um die Erde fällt.Das heißt, ich muss das nicht festhalten und damit befähigt sich das in einemsehr, sehr guten Vakuum.10 hoch minus 10, 10 hoch minus 11 Millibar. Da ist wirklich wenig Reibung.Da ist noch eine Rechtsreibung, was damit was zu tun hat, dass wir nicht sorichtig gutes Vakuum da reinbekommen. Aber da ist nicht mehr viel Reibung,sodass es wirklich keine Drift gibt.Ohne Reibung geht das nicht viel. Theoretisch. Da ist natürlich die reale Weltimmer noch so ein bisschen so eine Sache.

Tim Pritlove 1:08:36

Aber es ist so eine einheitliche Masse,die sozusagen in einem klar definierten Zustand ist, wo jedes Teil sozusagenderselben Gleichung gehorcht in diesem Zustand und deswegen sich gut messen lässt.

Lisa Wörner 1:08:53

Das Ensemble gehorcht der Wellenfunktion, mit der wir es beschreiben können.Und das bewegt sich eben ohne Reibung. Und ohne Reibung geht der Fehler,den man durch Drift macht, verloren.

Tim Pritlove 1:09:06

Jetzt fragen sich ja schon alle so, okay Raumfahrt und jetzt reden wir über Tunnel und so,aber es gibt ja auch Orte, wo man so hinfährt, wo es ja noch kein GPS gibt,wie zum Beispiel auf dem Mond oder so oder auf dem Mars, da könnte man sowasdann gegebenenfalls vielleicht auch zur Navigation benutzen.

Lisa Wörner 1:09:23

Das ist schön, dass Sie das ansprechen.Ich bin aufgefordert, am Montag die Antworten auf die Peer Review,also der wissenschaftliche Prozess funktioniert.Ich schreibe ein Paper, einen Aufsatz, gebe den an ein Journal,die geben den an Wissenschaftler, die überprüfen das und schicken mir Fragenzurück. Das ist das sogenannte Peer Review, also die Überprüfung durch andere Wissenschaftler.Zu einer Frage, die Mission heißt Marquis, bei der wir das Gravitationsfelddes Mars mit einer ganz ähnlichen Konstellation wie die Grace-Konstellation untersuchen wollen.Und natürlich, ja, Navigation auf dem Mond, Navigation auf dem Mars,aber das ist alles so ein bisschen zu kurz, also es gibt auch noch ganz vielmehr Quantentechnologie.Also es gibt im Moment an Bord von JUICE ist ein Quantenmagnetometer.Das heißt, die können auch da, zieht wieder das Argument der Driftfreiheit,dieses Quantenmagnetometer muss nicht kalibriert sein und dient als Kalibrationseinheitfür die tatsächlichen Messmagnetometer, um die Genauigkeit zu erhöhen,um diesen Abgleich eben regelmäßig zu machen, sodass es in der Exploration,Untertitel der Amara.org-Community,Auch bereits ganz viele Quantentechnologien gibt, auch über die Navigation hinaus,sondern auch eben Untersuchung vom Planeten.Magnetometrie wird viel eingesetzt, um so unter der Oberfläche Ozeane und sowas zu finden.Gerade bei den Monden der Gasgiganten, wie es so schön heißt.

Tim Pritlove 1:10:58

Genau, Jules ist ja die Jupiter Icy Moons Explorer Mission.Habe ich übrigens auch eine Sendung zugemacht, Raumzeit 95, als ich neulichbei der ESA in Madrid war und das startet ja auch bald, also wir haben heute,nehmen wir gerade auf, am 24.März und am 13. April soll es dann endlich mal losgehen mit dieser Mission,wo ich gerade dabei bin. Gotcha habe ich natürlich auch eine Sendung zu gemacht.Raumzeit 40, da kann man sich nochmal die Vermessung des Gravitationsfelds derErde anhören. Hervorragend. Genug geplagt.Alles gut, aber was Sie jetzt schon sehen ist, dass wir … Aber diese Navigation,aber das ist ja sozusagen, also okay, also Vermessung, aber es gibt ja sozusagenauch so Navigationsprobleme.Also ich erinnere mich bei der Rosetta Mission gab es glaube ich das Problem,also das ist ja dann sozusagen Navigation im All ist ja dann,also diese Fernmission funktioniert ja auf Basis von Star Trekern,da gibt es halt keine GPS Satelliten, aber da gibt es halt viele Sterne undman kennt das Sternbild ja mittlerweile ziemlich gut.Das heißt in dem Moment wo man eben mit dem Star Trekker auf die anderen Sterne schaut,dann gibt es mittlerweile die Technik die halt relativ schnell sagt,okay alles klar, sieht so und so aus, Pattern Matching und so weiter,wir sind hier und das kann ja auch die Position verhältnismäßig gut berechnen.Aber ich glaube, als dann Rosetta in der Koma des Kometen gelandet ist,also im Nebel sozusagen, da war es dann mit dem Star Trekker nicht mehr so.

Lisa Wörner 1:12:33

Korrekt. Korrekt. Das ist sicherlich auch ein Anwendungsgebiet.Ist vielleicht nicht ganz so massentauglich, aber absolut.Das gilt auch nicht nur für solche Missionen, die auf Satelliten landen wollen,sondern auch beispielsweise für den Mars, auf dem Staub ein echtes Problem ist,der dann sich eben auch auf dem Star Trekker ablagern kann und dann verliereich damit auch die Genauigkeit.Also von daher, da gibt es ganz, ganz, ganz, ganz viele Anwendungen der Navigationin der Exploration oder auf der Erde oder ja, wo auch immer.Bei denen wir mit Quantentechnologien helfen können. Und wo sie das gerade angesprochenhaben, sie haben jetzt irgendwie drei oder vier von ihren alten Podcasts,konnten wir irgendwie im Beitrag oder im Beitrag jetzt hier ansprechen.Ist ganz klar, was man dabei sieht, ist, dass die Quantentechnologien eben wirklichin ganz vielen verschiedenen Bereichen eingreifen können und mit Sensorik beiganz vielen verschiedenen Themen auch angreifen können und Beiträge einfach leisten können.

Tim Pritlove 1:13:35

Wenn man sich jetzt mal so vorstellt, nur mal so als Gedankenexperiment und ich weiß,mit der Quantifizierung istdas gerade bei den Quanten immer so eine Sache, aber nehmen wir mal an,man hätte jetzt sozusagen einen driftfreien Inertialsensor jetzt mit,Hat ja so seinen Bose Einstein Kondensat undso hält da ein Laser rein und weiß so okay alles klar das macht jetzt das unddas und jetzt würde ich irgendwie eine Rakete starten und würde dann ab einembestimmten Zeitpunkt parallel zu einem Star Trekker quasi nur über diesen Beschleunigungssensor,der letzten Endes ist, versuchen meine Position zu berechnen.Könnte man davon ausgehen, dass das dann ähnlich genau,genauso genau, vielleicht sogar noch genauer ist als andere Methoden,also dass man wirklich auch über einen längeren Zeitraum im Raumflug dann wirklichdie Position so mithalten könnte, rechnen könnte?

Lisa Wörner 1:14:33

Also es gibt natürlich so ein paar Realitätsabstriche, die man machen muss.

Tim Pritlove 1:14:37

Was? Wirklich?

Lisa Wörner 1:14:37

Ja, ist furchtbar. Aber prinzipiell ist das genau die Idee.Also es ist tatsächlich, da man eben halt die Driftfreiheit gewinnt,gibt es keinen Grund, warum dieser Sensor daneben gehen sollte.Man muss da ein bisschen über Repetitionsraten reden und über Implementierungund über Sensitivität des Sensors, der dann mit der Größe koppelt.Also je kleiner das System, desto weniger sensitiv. ganz typisches Problem.Wie gesagt, das sind so äußere Probleme, so Vorrandbedingungsprobleme,über die man sich dann kümmern muss.Gedanken machen muss, die dann sehr anwendungsspezifisch sind,aber prinzipiell gibt es keinen Grund, warum das nicht einen Star Trekker ablösenkönnte, außer den Swap Budgets, also Size, Weight und Power.Da ist der Star Trekker sicherlich überlegen, wenn ich also eine Mission habe,in der ich wirklich weiß, ich fliege, ich weiß nicht, zum Uranus oder zu Neptunoder sowas und das ist wirklich ganz kritisch und ich weiß auch,ich habe keinen Staub in der Nähe.Da ist wahrscheinlich ein Quantensensor, also ein Quanteninertialsensor einfach ein Tacken too much.Auf so einer Mission allerdings ein Quantenmagnetometer mitzufliegen ist sicherlich sinnvoll.

Tim Pritlove 1:15:52

Jetzt gibt's noch so einen Bereich der ganzen Quantentechnologie,der ist mir auch selber so ein bisschen, also mir ist hier sowieso das meiste wirklich ein Rätsel,aber das ist nochmal so ein spezielles Rätsel und das ist dieses Ding mit dieser Verschränkung,vielleicht können wir da nochmal kurz drauf kommen und das spielt ja dann aucheine große Rolle in so Technologie-Bereichen wie Verschlüsselung oder auch der,ja, Kommunikation, beschäftigt man sich hier damit oder was hat es da generell mit auf sich?

Lisa Wörner 1:16:30

Also hab ich einen schlechten Job gemacht, wenn das immer noch alles so magisch wirkt.

Tim Pritlove 1:16:35

Aber Verschränkung haben wir jetzt noch gar nicht geredet, weil das ist ja irgendwieso dieses merkwürdige Eigenschaft, dass Dinge an mehreren Orten sein können.

Lisa Wörner 1:16:49

Das ist so ähnlich, aber das ist, ach ja, genau.

Tim Pritlove 1:16:52

Dröseln wir das doch mal kurz auf.

Lisa Wörner 1:16:54

Also zunächst mal beschäftigen wir uns damit. Sie haben vorhin die verschiedenenAbteilungen des Instituts vorgelesen. Da gibt es eine, die nennt sich Quantenkommunikationund Information, Information und Kommunikation, andersrum.Wir sind sehr überrascht, wenn wir jetzt feststellen, dass diese Abteilung sichvor allen Dingen mit Verschränkungen beschäftigt.Es gibt auch andere Themen bei der Verschränkung, wieder in Hannover,die da auch versuchen dann zum Beispiel die Atominterferometrie damit zu verbessernund so, aber lassen wir das mal außen vor. Was bedeutet Verschränkung?Verschränkung ist ein ganz typisches quantenmechanisches Phänomen,was wieder an sich darauf zurückgeht, dass wir vieles über Wahrscheinlichkeitenbeschreiben und eben nicht über Tatsachen.Stellen Sie sich vor, ich habe eine Box und die Farbe der Box ist definiertdurch die Dinge, die ich reinlege.Wenn ich eine rote und eine blaue Kugel reinlege, ist die Box lila.Jetzt mache ich die Box zu. Die Box ist lila. Und die Information,die ich jetzt von außen habe, ist, dass die Gesamtfarbe ist lila.Und das Wichtige dabei ist, ich habe die da nicht wirklich reingelegt,sondern die sind da einfach drin. Und das, was ich weiß, ist,dass eine der Kugeln rot sein muss und die andere muss blau sein,wenn das von außen lila ist.

Tim Pritlove 1:18:03

Und dass es wirklich zwei Kugeln sind.

Lisa Wörner 1:18:04

Und dass es wirklich zwei Kugeln sind. Und ich weiß, dass es zwei Kugeln sind.Wie wir da hinkommen erkläre ich gleich noch. Aber ich weiß,dass es zwei Kugeln sind und ich weiß, dass eine von den Kugeln rot sein mussund die andere muss blau sein, wenn das System von außen lila ist.Was ich nicht weiß und wenn ich sage was ich nicht weiß, dann heißt das,was quantenmechanisch unbestimmt ist, ist die Farbe der tatsächlichen Kugeln.Also die Kugel 1 hat 50% Wahrscheinlichkeit rot zu sein und 50% Wahrscheinlichkeitblau zu sein. Und genauso hat die Kugel 2 50% Wahrscheinlichkeit blau zu seinund 50% Wahrscheinlichkeit rot zu sein.

Tim Pritlove 1:18:34

Also man weiß, eine ist rot, eine ist blau, aber man weiß nicht welche.

Lisa Wörner 1:18:38

Ja es geht sogar weiter. Die sind nicht rot oder blau. Ich weiß nicht nur nicht welche.Die haben beide 50% Wahrscheinlichkeit in den beiden Zuständen zu sein.Also die eine hat 50% Wahrscheinlichkeit rot oder blau zu sein,die andere hat 50% Wahrscheinlichkeit rot oder blau zu sein.Solange ich nicht reinschaue, habe ich keine Chance.Das ist im Prinzip diese Idee von Schrödingers Katze, die ja dann noch ein bisschen weiter nachgeht.

Tim Pritlove 1:19:02

Ob die Katze tot ist oder nicht.

Lisa Wörner 1:19:03

Ja das ist ja dann ob das Element zerfallen ist oder nicht eigentlich.Dass dann den Hammer auslöst, der das Gift und dadurch die Katze stirbt.Das ist ja das Experiment.

Tim Pritlove 1:19:13

Konnte sich keiner merken.

Lisa Wörner 1:19:14

Lieber die Katze tot oder lebendig. Richtig. Und das ist hier ganz wichtig.Das heißt allgemein bedeutet Verschränkung. Ich kenne den Gesamtzustand,aber ich kenne die Einzelkonstituenten nicht. Ich kenne den Zustand der Einzelkonstituenten nicht.Und in der Verschlüsselung macht man das so, dass man vorne ein Photon reinschicktund dann nimmt man ein Kristall.Dieser Kristall produziert mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit horizontalpolarisierte Photonen, Sie kennen das vielleicht aus dem Kino,wenn Sie mal in so ein IMAX gegangen sind, das 3D Ding.Da bekommt man so eine Brille und das eine Glas ist vertikal polarisiert unddas andere horizontal polarisiert.Was da drin ist, ist im Prinzip nur so eine Plastikfolie, die Streifen in horizontaleroder in vertikaler Richtung hat und da nur entsprechendes Licht durchlässt.Und wenn ich die jetzt übereinander lege und 90 Grad aufeinander drehe,dann kommt da nichts mehr durch. Das können Sie mal ausprobieren,wenn Sie das nächste Mal so ein 3D-Kino anschauen, dann kommt da auf einmal kein Licht mehr durch.Das nennen wir, damit ist das eines horizontal polarisiert, wenn ich das durchdas vertikal polarisierte Licht durchgehen lasse, dann kommt eben kein Licht mehr durch.Das ist im Prinzip die Idee von Polarisation. Das gleiche machen wir hier.Wir schicken ein unpolarisiertes Photon rein.Und hinten kommen zwei raus und wir wissen, dass es insgesamt unpolarisiert sein muss.Und das heißt, die beiden haben jeweils 50 Prozent Wahrscheinlichkeit,vertikal oder horizontal polarisiert zu sein.Das ist ein Gesamtzustand. Jetzt kann ich an zwei Stellen messen.Ich nehme diese beiden Photon, messe sie irgendwann und stelle einen horizontalenPolarisationsfilter rein und dann messe ich dahinter, ob ich das Photon gemessen habe oder nicht.Wenn ich es messe, war es horizontal polarisiert, wenn es nicht messe,war es vertikal polarisiert. Und gleichzeitig muss das auf der anderen Seite,wenn ich es hier horizontal messe, muss es dort vertikal sein und dann war es rum.Jetzt kann ich das messen und ich erzähle es mir nicht und dann kann ich damitim Prinzip einen Schlüssel generieren.Weil ich ja immer weiß, was der andere gemessen haben muss.

Tim Pritlove 1:21:26

Weil man von der einen Messung auf die andere schließen kann.

Lisa Wörner 1:21:28

Weil ich von der einen Messung auf die andere schließen kann.Wichtig ist dabei, dass dieser Zustand existiert über die beiden Photonen indiesem Fall oder über die beiden Kugeln vom Anfang.Der existiert, bis ich die Schachtel aufmache, bis ich messe.Und es gibt jetzt viele, viele Experimente, die versucht haben herauszufinden,ob dieser sogenannte verschränkte Zustand, ob der irgendwann eine Grenze hat.Also wie weit kann ich diese beiden Photonen voneinander entfernen und auf einmalkollabiert dieser Zustand zu früh, bevor ich ihn messe. Gibt es irgendwie eineEntfernung, über die das funktioniert?Das ist lustigerweise eine andere Gruppe in Wien. Wien ist ein ganz heißes Pflasterfür Quantenphysik und auch für Quantentechnologien.Die haben sich das angeschaut. Die armen Doktoranden mussten nach Teneriffa, glaube ich.Die armen Doktoranden. Die haben mir wirklich leid getan. Weil da die Luft schöndünn ist oder schön gleichmäßig und man dann zwischen den Inseln auch viel Platzhat, um diese Experimente zu durchzuführen.Hat das dann zwischen den Inseln gemacht. Dann bekannt geworden ist das MithiosExperiment von den Chinesen gemeinsam mit den Österreichern am Ende des Tages.Die haben den Satelliten gebaut und haben dieses verschränkte Photon vom Satellitenauf den Boden geschickt.Einen nach Österreich und einen, ich meine nach Gengzhou in China.Und haben sich angeschaut, ob das eben auch funktioniert und konnten damit nachweisen,dass diese Verschränkung über 7400 Kilometer...

Tim Pritlove 1:22:58

Wie haben die denn ein Photon von Österreich nach Japan geschickt?

Lisa Wörner 1:23:01

Nach China.

Tim Pritlove 1:23:02

Nach China.

Lisa Wörner 1:23:03

Die haben im Prinzip auf dem Satelliten die beiden Photonen entscheucht.

Tim Pritlove 1:23:06

Achso von einem Satelliten.

Lisa Wörner 1:23:08

Der METIUS Satelliten.

Tim Pritlove 1:23:09

Ja, ja ich dachte schon. Ich hätte das nicht mitbekommen mit der Erdkrümmung.

Lisa Wörner 1:23:12

Genau. Okay. Und die haben damit gezeigt, dass das eben...Über sehr sehr sehr sehr große Entfernungen funktioniert, sodass wir diesenEffekt jetzt eben auch ausnutzen können.Das eine ist die Grundlagenforschung daran, die sogenannten Bell-Tests,benannt nach Herrn Bell, der so der erste war, der ein Experiment vorgeschlagenhat, um diese Verschränkung zu testen.Die Verschränkung, die hat Einstein spooky interaction at a distance genannt,also geisterhafte Fernwechselwirkung, weil das ja dann, das ist ja das, was es erscheint.Ich messe hier und da passiert auf einmal was und ich kann das irgendwie übermehrere tausend Kilometer tun und bekomme immer noch, erhalte immer noch diesen Zustand und diese.

Tim Pritlove 1:24:00

Ich frage mich gerade, wie kann man denn überhaupt über tausende Kilometer diesePhotonen durch die Gegend schicken und dann noch genau dieses eine Photon messen?Aber woher weiß man denn, dass das genau das war?

Lisa Wörner 1:24:12

Das ist schon eine Herausforderung, zumal wir auch, da gehen ja auch Verlustraten dann mit ein.Also es kommt auch nicht jedes Photon an, was ich aussende und so.Und ich muss auch einzelne Photonen messen. Das ist nicht so trivial,aber es ist möglich. Es ist wirklich möglich.Auf jeden Fall war Einstein derjenige, der damals gesagt hat,das glaubt er nicht, da kommt das, Gott würfelt nicht her.Und hat an sogenannte verborgene Variablen geglaubt oder postuliert,glauben ist vielleicht in dem Kontext nicht das richtige Verb,sondern hat dann verborgene Variablen postuliert,die eben für uns unsichtbar, aber diese Zustände definieren,sodass die zwar von außen so aussehen, als wären die Zustände nicht definiertauf den Teilchen, aber dass sie eine verborgene Variable haben,an der das tatsächlich definiert wurde. Und das ist dann mit Bell-Tests.Möglichst Long Range Bell Test, also über feite Distanzen testet man eben genaudiese Hidden Variables, diese verborgenen Variablen und bisher müssen wir feststellen,die Quantenmechanik ist gültig.

Tim Pritlove 1:25:18

Aber welche konkreten Auswirkungen auf Technologie hat das jetzt?Wie kann man das zur Anwendung bringen? Wie wird das schon zur Anwendung gebrachtund was ist hier so die Vorstellung davon, was sich daraus an Technologie ableiten lässt?

Lisa Wörner 1:25:33

Ja also die ganz klare Situation dabei ist Schlüssel zu erzeugen.Ich kann zwischen den beiden Empfängern einen quantensicheren Schlüssel erzeugen.Der hat verschiedene Vorteile. Zunächst mal ist der echt zufällig,wenn ich die Quantenmechanik drunter lege.

Tim Pritlove 1:25:47

Wir reden von Schlüsseln für kryptographische Verfahren und da ist ja immerdieser Schlüsselaustausch,ist ja im Prinzip so das eigentliche Problem, weil wenn beide Seiten miteinanderkommunizieren wollen über eine Verschlüsselung, dann läuft diese Verschlüsselungja eben über einen Schlüssel, hence the name.Das heißt man hat quasi ein Parameter für diese ganzen mathematischen Berechnungen,der dann auf beiden Seiten in der Lage versetzt, sowohl Informationen zu ver-als auch wieder zu entschlüsseln.Aber man muss ja dazu darüber einen Austausch machen und wenn man diesen Austauschsozusagen über diese Methodik quasi schon weltumspannend erzeugen kann,dann gibt es sozusagen keinen abhörbaren Bereich dazwischen.

Lisa Wörner 1:26:35

Ja, also die große Herausforderung dabei ist ja, dass ich ihnen meinen Schlüssel geben muss, irgendwie.Ich muss den Schlüssel irgendwie austauschen. Wenn das abgehört wird,dann habe ich den Schlüssel in der Hand von dem Dritten, der dann alle meineNachrichten überprüfen kann. Der die Sachen selber entschlüsseln kann.Das heißt zum einen den Austausch von dem Schlüssel sicher zu machen und zumanderen einen sicheren Schlüssel zu generieren.Sie kennen unterschiedliche Schlüsselsicherheiten auch aus dem privaten Bereich.Meine WhatsApp-Verschlüsselung, wenn sie denn überhaupt existiert,ist sicherlich eher weniger sicher. Die, die meine Bank benutzt,um Daten zu übermitteln, ist hoffentlich etwas besser.Und das hat ein bisschen was damit zu tun, welcher Schlüssel da zugrunde liegt,wie dieser Schlüssel generiert wird und wie lang er ist.Bisher sind wir auch da stark darauf angewiesen, dass diese Schlüssel,die idealerweise zufällig sind,Die werden von dem Computer erzeugt. Die sind also nur so zufällig,wie der klassische Computer zufällig ist.Und das ist nicht besonders zufällig, sodass die Quantenmechanik uns hier zweiVorteile bringen kann. Das eine ist die tatsächliche Zufälligkeit des Schlüsselsund auf der anderen Seite die Nichtabhörbarkeit der Schlüsselerzeugung.Sodass eben halt wirklich diese beiden Parteien den Schlüssel haben am Ende des Tages und ich nicht,oder ich diesen Schlüssel nicht mehr klassisch übermitteln muss,sondern ich habe diesen Schlüssel bei den beiden Parteien erzeugt,die dann ihre Nachrichten verschlüsseln und dem anderen schicken und der anderekann das entschlüsseln.

Tim Pritlove 1:28:09

Und das heißt jetzt schon Technologie, wir hatten ja darüber gesprochen,Sinn dieses Instituts ist Grundlagenforschung aufzugreifen und sozusagen wirklichmindestens Modelle zu entwerfen, vielleicht Patentenverfahren etc.Oder eben auch konkrete technologische Ansätze, um das in irgendeiner Form realanwendbar zu machen. Ist man da in diesem Bereich schon so weit oder bewegtsich das nicht noch sehr im theoretischen Grundlagen?

Lisa Wörner 1:28:37

Also theoretisch bewegt sich das alles nicht mehr.Die Systeme, wir wissen, dass es geht, wir haben es experimentell getestet,wir haben die Experimente zur Verfügung.Das bewegt sich im Moment noch alles auf einem relativ geringen Level,was Industrialisierung angeht.Die Systeme werden tatsächlich auf Satelliten betrieben, wir wissen, wie es geht.Und wir forschen natürlich auch immer noch an der Verbesserung von den Quellenund von den Detektionssystemen, das ist im Moment alles noch sehr balky undsehr groß, aber prinzipiell ist das durchaus schon angewendet.Und wenn wir uns JUICE anschauen, ich weiß, das ist jetzt nicht mehr die Verschränkung,aber ich würde sagen, wenn ich ein System auf einer der großen ESA-Missionen,auf einer der großen Raumfahrtmissionen mit draufbringe, dann ist das kein...Kein Experimentieren mehr an dem System, sondern tatsächlich dann ist das einSensorsystem, den ich nutze, um neue Dinge zu erforschen. Also von daher ist da durchaus auch was da.Jetzt haben wir lange über die Verschränkung gesprochen. Die Verschränkung istauch das, was unter dem Quantencomputing drunter liegt, sodass wir uns auchhier in die Anwendung im Moment bewegen.Also das heißt auch, das Quantencomputing ist ja durchaus etwas,was auch schon genutzt wird und auch von industriellen Partnern schon genutzt wird.Oder auch von Industrie bereits hergestellt wird.

Tim Pritlove 1:29:58

Haben wir denn jetzt schon alles tangiert, mit dem sich dieses Institut so auseinandersetzt?

Lisa Wörner 1:30:05

So im Groben schon. Ich kann jetzt natürlich noch irgendwie drei Stunden weiterreden, welche anderen Anwendungen es noch gibt.Wichtig ist mir noch anzumerken, dass wir diese Systeme natürlich auch für verschiedeneAnwendungsbereiche einsetzen wollen und ein wichtiger Anwendungsbereich dabeiist für mich auch der Klimaschutz.Also die großen Herausforderungen unserer Zeit damit anzugehen und auch im Klimaschutzdann zu schauen, wie wir Quantentechnologien einsetzen können.Na das eine ist die ganze Erdbeobachtungsschiene, die wir jetzt ja auch schon besprochen haben.Eben anzuschauen wie der Planet sich verändert dadurch, dass wir da sind.Wie die Goldkappen abschmelzen und Leute solche Dinge. Andere Dinge sind auchüber verbesserte Navigationssystemen, Routen zu verbessern und Autos oder insgesamtFahrzeuge schneller von der Straße zu bringen.Von A nach B und dann nicht irgendwie noch drei Schleifen zu fahren,bevor man dann da hinkommt.Solche Themen fallen da auch mit runter. Also ganz viel von dem,was wir heute schon besprochen haben.Die Überwachung des Erdmagnetfeldes, das sich ja auch dauernd wandelt und dauernd verändert,dass es nicht so sehr in diesem Climate-Change-Thema mit drin ist,aber sicherlich auch ein Thema, was die Umweltbeobachtung, die Erdbeobachtung,die Beeinflussung des Klimas angeht.Ohne Menschen gemacht zu sein. Genau, lauter solche Themen. Wie können wir Quantentechnologieneben als Querschnittsthema hier auch einbringen, um bei Klimaforschung zu helfen,um bessere Klimamodelle zu entwickeln, um mehr Daten zu generieren.

Tim Pritlove 1:31:41

Wie entwickelt sich denn so das Interesse an dem Thema Jenseits,also sozusagen in der Außenperspektive eingenommen,weil ich meine es gibt ja viele Bereiche, wo so an allem möglichen interessantenZeug geforscht wird und wenn man mal reinfragt, sagst du, um wofür kann mandas benutzen, also Weltrevolution, es ändert alles und so weiter,also kann ja jeder sagen, sag ich mal so, ne?Ist sozusagen Quantentechnologie jetzt mehr auf dem Radar als noch zuletzt,vorhin kurz gesagt, eine gute Zeit, um jetzt mit diesem Institut anzufangen?Warum ist das so? Hat sich irgendwas an der Wahrnehmung geändert oder gibt esdie technologischen Durchbrüche oder ist alles andere gerade so am Ende,dass man da nicht mehr weiterkommt?Was macht das sozusagen aus?

Lisa Wörner 1:32:29

Nee, ich glaube es ist tatsächlich so, dass wir gerade mit diesen großen Missionen,die wir jetzt ja auch angesprochen haben, mit Beka und Compasso,wirklich dahin kommen, dass wir die Technologie entwickeln können.Und wir sind nicht die einzigen.Also das ist ein weltweiter Trend, der viel Technologieentwicklung im Momentvorantreibt und wir sehen das in ganz vielen Bereichen,dass das mehr und mehr auch auf Interesse stößt und die Systeme eben auch genauwegen der Vorteile, die sie bieten, mehr und mehr eingesetzt werden.Ich meine natürlich gehe ich davon aus, dass wir die Welt retten.Das ist mein, das ließ ich glaube ich auch.Ich glaube, ich wäre ein schlechter kommissarischer Institutsleiter,wenn ich das nicht glauben würde. Von daher, ja.

Tim Pritlove 1:33:14

Super, dann bleibt mir erstmal nichts weiteres als Danke zu sagen für die Ausführung.Die Technologie war sehr interessantund hat neue Einblicke geliefert und interessante Perspektiven,wie sich ja auch so die Raumfahrt dort verändern kann,weil gerade so im Bereich Kommunikation und auch so Fernkommunikation,also Missionen die weit raus gehen, Uranus und Neptun klangen an.Ich glaube es wird tatsächlich drüber nachgedacht bei der NASA dann doch vielleichtmal wirklich dort auch mal hinzufliegen und demnächst mal eine Mission zu formulieren.Ich fände das ja mal ganz gut, weil da ist ja seit Voyager nicht viel passiert.Und die ganzen Missionen haben immer das Problem, viele Daten werden eingesammelt,die müssen auch irgendwie alle wieder nach Hause telefonieren und da gibt esnoch einiges zu verbessern.

Lisa Wörner 1:34:07

Genau, auf jeden Fall.

Tim Pritlove 1:34:08

Und Navigation im Nebel und im Tunnel natürlich ganz wichtig.

Lisa Wörner 1:34:16

Navigation, Erdbeobachtung, Inertialsensorik, Kommunikation,Magnetfeldsensorik, Computing, ist nicht so stark angeklungen heute,aber ja. Es gibt ganz, ganz viele Bereiche, in denen wir unterstützen können.Vielen herzlichen Dank.

Tim Pritlove 1:34:24

Ja, ich hab zu danken und vielen Dank auch fürs Zuhören hier bei Raumzeit.Bald geht's wieder weiter, tschüss und bis bald!

Shownotes

Glossar

6 Gedanken zu „RZ109 Quantentechnologie für die Raumfahrt“

Tom sagte am 4. Mai 2023 um 18:29 Uhr :

Unangenehm zuzuhoeren.
Lag nicht am Thema

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- Olli sagte am 12. Juni 2023 um 23:52 Uhr :
  
  Musste aus gleichem Grund leider frühzeitig aussteigen 🙁
  
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Christian sagte am 4. Mai 2023 um 20:30 Uhr :

Dass die Verschlüsselung bei WhatsApp schlechter ist als die einer Bank, halte ich für eine gewagte These. Vergleiche in fachfremden Terrain sind selten eine gute Idee.

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Urkilometerstein sagte am 7. Mai 2023 um 04:00 Uhr :

Raumzeit Quo Vadis? Die Komplexität der Abstraktion lässt sich für Zuhörer nicht mehr ausschließlich kerbal vermitteln. Was weiß z.B. MAMOTO über diesen Podcast. Die Revolution der Nebelkammer kann sich kaum noch transzendieren.

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- KMFDP sagte am 16. Mai 2023 um 19:30 Uhr :
  
  boah ey, krasser Kommentar…
  
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  - Urkilometerstein sagte am 22. Mai 2023 um 18:03 Uhr :
    
    „Knorke“ heißt das auf NASA Deutsch.
    
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