Naturwissenschaftler als Superhelden der Zukunft mit Superkräften durch Supertechnologien? Das wäre doch schön! Ein Blick auf die neuesten Erkenntnisse der Quantenforschung zeigt jedoch: Da ist was dran! Lassen sich Qubits robust machen, vervielfältigen sich die Möglichkeiten. Das Rennen darum, als Naturwissenschaftler die Welt zu retten, hat gerade erst begonnen.

Und sie bewegt sich doch! Die Erde sowieso. Aber eben auch: die Naturwissenschaft. Angetrieben wird sie von einer Reihe von Motoren, drei davon sollen an dieser Stelle näher erläutert werden – wobei sie aneinandergekoppelt sind. Da ist einmal der Wille, Naturwissenschaft und Ästhetik zusammenzudenken: Wenn alles schön sein darf, vom menschlichen Körper und seinem Abbild über die Kunst bis hin zur politischen Rede – warum sollte sich die Naturwissenschaft der Schönheit verschließen?

Ein zweiter Treiber, der Bewegung in die Naturwissenschaft bringt, ist die klare Notwendigkeit, die Welt zu retten: Es wird immer offensichtlicher, dass dieser Planet nicht vom Kollaps geschützt werden kann, in dem wir unseren Müll noch besser trennen und elektrische Motorroller zulassen. Es steigt die Sehnsucht nach großen Formeln – sind die Naturwissenschaftler die Superhelden, die uns diese bieten? Ein dritter Motor sind die neuen Techniken, die genaugenommen die Grundlage für die Weltrettung bieten sollen: Supertechnologien für die Superkräfte der naturwissenschaftlichen Superhelden!

1. Schönheit

Beginnen wir mit der Ästhetik. Wie schön Naturwissenschaft sein kann, zeigt sie ausgerechnet mit einem Foto vom Nichts. Das im April dieses Jahres veröffentlichte Bild eines Schwarzen Lochs dürfte zum meistgezeigten Foto des Jahres zählen, es wird die Jahresrückblicke dominieren und schon bald in allen physikalischen Schul- und Lehrbüchern auftauchen. Man sieht im Grunde nur einen feuerfarbenen Donut mit sehr schwarzer Mitte, doch unsere Fantasie sowie die Erklärungen der Physiker machten aus diesem Schnappschuss aus dem Universum eine unglaublich schöne Sache: Ist das der Blick in die Unendlichkeit? Wenn der erste Wimbledon-Sieg von Boris Becker 1985 reihenweise Kinder und Jugendliche zum Tennis gebracht hat, dann wird dieses Foto vom Schwarzen Loch eine neue Generation zur Physik führen, was zeigt: Auch die Naturwissenschaft ist anfällig für Schönheit.

Der Philosoph Olaf L. Müller, Professor für Wissenschaftstheorie an der Humboldt-Universität Berlin, schreibt in seinem Buch „Zu schön, um falsch zu sein“: „Hinter dem Ausruf ‚Das ist schön!‘ steckt mehr als die Zufälligkeit der augenblicklichen Stimmung und des individuellen Geschmacks; zumindest kann mehr dahinterstecken. Es gibt immerhin so etwas wie geschulten Geschmack.“ Müller führt aus, dass in der Geschichte der Physik nicht selten die Ästhetik einer Theorie Grundlage der Leidenschaft war, diese aufzustellen und gegen Widerstände zu verteidigen. So habe Kopernikus sein Modell des heliozentrischen Weltbildes als außerordentlich schön empfunden. Recht damit hatte er obendrein. Newton wollte es zunächst nicht gelingen, den durch ein Prisma geschickten Lichtstrahl in viele verschiedene Farben aufzuteilen. Immer und immer wieder probierte er es – bis es ihm gelang und er durch die Schönheit des Ergebnisses belohnt wurde.

Das Fazit: Die Schönheit der Naturwissenschaften ist eine Kategorie, die den Forschenden motiviert und die Öffentlichkeit begeistert und vielleicht sogar vom Sinn der Forschung überzeugt. Denn was, wenn das Foto des Schwarzen Lochs eben genau nur das gezeigt hätte, ein Nichts? Der Boris-Becker-Effekt – dass ein einziger Erfolg schnell einen Sog erzeugt – würde ausbleiben.

2. Weltrettung

Nicht nur das Resultat einer Forschung oder die Klarheit einer naturwissenschaftlichen Theorie unterliegen der Ästhetik. Auch die Aufgabe, der man als Naturwissenschaftler seine Forschung widmet, kann mehr oder weniger schön sein. Als Pharmazeut an einer Substanz zu forschen, welche die Artenvielfalt weiter bedroht – das ist weniger schön. Hingegen an Ideen zu forschen, um die Gesundheit der Menschen zu erhalten, die Artenvielfalt zu schützen oder den Ausstoß von CO2 zu reduzieren – das hingegen ist eine schöne Aufgabe. Wer sich in den Unternehmen derjenigen Branchen, die naturwissenschaftliche Talente benötigen, umschaut, merkt schnell: Es geht an immer weniger Orten um den reinen Profit. Das Umdenken setzt ein – auch, weil es einsetzen muss.

„Wer über die Quantentheorie nicht entsetzt ist, der hat sie nicht verstanden.“ Niels Bohr, Physiker und Nobelpreisträger

Ganz oben auf der Agenda vieler Unternehmen steht die Nachhaltigkeit, und zwar als Dreiklang: Man will ökonomisch, sozial und ökologisch nachhaltig handeln. Unternehmen, die sich als Vordenker verstehen, gehen schon heute einen Schritt weiter: Sie stellen sich bewusst der größten Aufgabe, der man sich stellen kann, in dem sie der Gesellschaft und ihren Kunden das Angebot machen, aktiv an der Lösung der großen Probleme mitzuarbeiten. Wie bald 8 Milliarden Menschen auf der Erde ernähren, ohne dabei weiter den Planeten auszubeuten? Wie die Medizin und die Pharmabranche voranbringen? Wie Mobilität weniger zerstörerisch gestalten? Wie dafür Sorge tragen, dass die immer weiterwachsenden Städte nicht im Müll und ihrer schlechten Luft ersticken, sondern dass sie Innovationstreiber für eine gute Zukunft sind?

Forschende Unternehmen aus Branchen wie Pharma, Bionik oder Material Science stellen ihre Geschäftsmodelle in Teilen um, sie produzieren nicht mehr nur als „White Label“-Zulieferer für andere, sondern bringen sich proaktiv als „Good Companies“ ein, die zum Beispiel an Materialien forschen, die dabei helfen, Lösungen gegen den CO2-Ausstoß zu finden oder Alternativen für den Konsum von Fleisch entwickeln. Wer heute in diese Unternehmen einsteigt, darf sich durchaus als Weltenretter von morgen zeigen: Forschertalent und ökonomisches Denken sind weiterhin wichtig, aber motiviert zu sein, den Zustand der Erde zu verbessern, ist in vielen Unternehmen zu einer neuen Kernkompetenz für naturwissenschaftlichen Nachwuchs geworden. Wobei es durchaus eine Aufgabe der jungen Generation ist, sehr genau zu prüfen, ob der Arbeitgeber diese Agenda wirklich zielgerichtet verfolgt – oder er nur so tut.

3. Supertechnologie und Superkräfte

Um noch einmal auf die Ästhetik zurückzukommen, es gibt einen schönen Satz von Niels Bohr, Physiker aus Dänemark, Nobelpreisträger: „Wer über die Quantentheorie nicht entsetzt ist, der hat sie nicht verstanden.“ Was er meinte: Die Theorie bricht mit allem vermeintlich Faktischem, sie stellt allerlei Annahmen auf, die kaum vorstellbar erscheinen. Was, so Albert Einstein, gerade zur besonderen Ästhetik der Quantenphysik führe, denn: „Das Schönste, was wir entdecken können, ist das Geheimnisvolle. Es ist das Grundgefühl, das an der Wiege von wahrer Kunst und Wissenschaft steht.“ Bei der Idee der „verschränkten Teilchen“ sprach selbst Einstein von einer „spukhaften Fernwirkung“. Denn was anderes als ein Spuk sollte es sein, wenn zwei Teilchen miteinander verschränkt sind, egal, wie weit sie voneinander entfernt sind?

Das Schönste, was wir entdecken können, ist das Geheimnisvolle. Es ist das Grundgefühl, das an der Wiege von wahrer Kunst und Wissenschaft steht.

Die Sache mit dem Spuk hat die Quantentheorie lange verfolgt, Science-Fiction-Autoren und Filmemacher haben auf ihrer Basis irre Storys entwickelt, einige wenig seriöse Leute arbeiten mit dem Begriff der Quanten, um Hokuspokus-Produkte an den Mann zu bringen. Was aber nichts daran ändert, dass die Quantentheorie nach Ansicht vieler Naturwissenschaftler ihre spukhafte Abstraktheit verliert und damit weitere Anwendungen in der Technik von morgen immer konkreter werden.

Lars Jaeger ist promovierter Physiker, hat jahrelang zur Quantentheorie geforscht, als Investor gearbeitet. Heute ist er als Wissenschaftsjournalist und Autor tätig, sein jüngstes Buch trägt den Titel „Die zweite Quantenrevolution. Vom Spuk im Mikrokosmos zu neuen Supertechnologien“. In seinem Blog schreibt er: „Längst sind Anwendungen der Quantenphysik konkreter Bestandteil unseres Lebens geworden. Elektronik, Digitaltechnologien, Laser, Mobiltelefon, Satelliten, Fernseher, Radio, Nukleartechnik, die moderne Chemie, medizinische Diagnostik – all diese Technologien beruhen auf den Gesetzen der Quantentheorie. Von moderner Chemie bis zur Festkörperphysik, von der Signalverarbeitung bis zu den modernen bildgebenden Systemen in der Medizin – überall treffen wir heute auf sie.“

Entwicklungsstand von Quantencomputern

Mitte 2018 gab eine Publikation des Bundesamts für Sicherheit in der Informationstechnik eine Übersicht über den aktuellen Stand der Entwicklung von Quantencomputern. Danach seien Quantencomputer zunächst als hypothetische, theoretische Konstruktion eingeführt worden. Inzwischen werde der Zugriff auf Quantenprozessoren als Dienstleistung von mehreren Firmen angeboten, eine sehr spezielle Quantencomputerplattform werde auch kommerziell angeboten. „Diese Quantenprozessoren erlauben die Entwicklung und Evaluation von Quantenalgorithmen, sind aber noch in keiner Anwendung klassischen Rechnern überlegen. Führende Entwickler rechnen aber damit, dass dieser als Quantum Supremacy bezeichnete Schnittpunkt in wenigen Jahren erreicht wird“, so das Bundesamt.

So vertrauen wir tagtäglich ihren Gesetzen, „wenn wir in ein Auto steigen (und uns auf die Bordelektronik verlassen), unseren Computer hochfahren (der aus integrierten Schaltkreisen, also auf einer auf Quantenphänomenen beruhender Elektronik, besteht), Röntgen- oder MRT-Aufnahmen unseres Körpers machen, uns von GPS leiten lassen oder mittels unseres Handys kommunizieren“. Warum aber steht nun eine zweite Revolution an?

Jaeger macht deutlich, dass die erste Quantenrevolution darauf basierte, das Verhalten „großer Ensembles von Quantenteilchen“ kontrollieren zu können. „Konkrete Beispiele sind der Tunneleffekt in modernen Transistoren, die Kohärenz von Photonen beim Laser, die Spin-Eigenschafen der Atome bei der Magnetresonanztomographie, die Bose-Einstein-Kondensation oder die diskreten Quantensprünge in einer Atomuhr.“

Bei der zweiten Revolution gehe es nun darum, einzelne Teilchen und ihre Wechselwirkung zueinander gezielt zu präparieren, kontrollieren, manipulieren. Das führt zur Idee von Quantencomputern, die nicht mehr auf Bits basieren, die entweder den Zustand 0 oder 1 haben, sondern auf Quantenbits (kurz: Qubits), die beides sein können – 0 und 1. Oder alle Zustände dazwischen – weil sie sich in überlagerten „Superpositionen“ befinden können. Wobei sich die Qubits eben auch verschränken, „als seien sie mit einer unsichtbaren Feder aneinandergekoppelt“, so Jaeger. Die Qubits wissen also voneinander:

Man kann sich ausmalen, was ein Algorithmus zu leisten in der Lage ist, der mit diesen Informationseinheiten arbeitet. Noch seien solche Quantencomputer enorm kompliziert zu konstruieren, weil die verschränkten Zustände von Quanten sehr schnell wieder verfallen, wie Jaeger schreibt. Kurz: Noch sind Qubits nicht robust genug. Doch Teams aus Quantenphysikern und IT-Spezialisten haben sich auf den Weg gemacht – und könnten am Ende Supertechnologien entwickeln, die zum Beispiel neue Verbindungen für Pharma-Innovationen finden, wie Lars Jaeger schreibt: „Könnte man Moleküle und die Details der Vorgänge in chemischen Reaktionen besser vorausberechnen und verstehen als heute, wäre es denkbar, dass man neue Medikamente im Wochentakt findet oder viel bessere Batterietechnologien als heute innerhalb eines Monats entwickelt.“ Das sind alles in allem: sehr schöne Aussichten.

Buchtipps Naturwissenschaft und Ästhetik

Olaf L. Müller: Zu schön, um falsch zu sein. Über die Ästhetik in der Naturwissenschaft. S. Fischer, 2019.

Sabine Hossenfelder: Das hässliche Universum: Warum unsere Suche nach Schönheit die Physik in die Sackgasse führt. S. Fischer, 2018.

Anthony Zee: Magische Symmetrie: Die Ästhetik in der modernen Physik. Birkhäuser, 2014

Buchtipps Quantenrevolution und Qubits

Lars Jaeger: Die zweite Quantenrevolution. Vom Spuk im Mikrokosmos zu neuen Supertechnologien. Springer, 2018.

Christian J. Meier: Eine kurze Geschichte des Quantencomputers. Heise, 2015.

Kurt Martin: Vom Bit zum Qubit. Eine kleine Einführung in die Quantencomputer. Create Space Publishing, 2018.

Anton Zeilinger: Einsteins Spuk. Teleportation und weitere Mysterien der Quantenphysik. Goldmann, 2007.