Drei Fragen an Prof. Dr. Otfried Gühne
In diesem Interview mit drei Fragen sprechen wir mit Prof. Dr. Otfried Gühne, Professor an der Universität Siegen. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Theorie der Mehrteilchenverschränkung und die Grundlagen der Quantenmechanik.
In seiner Arbeit untersucht Prof. Gühne, wie komplexe Quantenkorrelationen entstehen, wie sie charakterisiert und nachgewiesen werden können und was sie über die Grundprinzipien von Quantensystemen aussagen. In diesem kurzen Interview gibt er Einblicke in seine Forschungsperspektive, die wichtigsten Herausforderungen in diesem Bereich und was ihn an seiner Arbeit an der Schnittstelle von Theorie und Grundlagenphysik motiviert.
Was ist der Schwerpunkt Ihrer Forschung auf dem Gebiet der Photonik und was hat Sie ursprünglich zu diesem Forschungsgebiet hingezogen?
Zunächst einmal bin ich Theoretiker, kein Experimentalphysiker. Ich habe mit der Theorie angefangen und bin dann mehr mit Leuten in Kontakt gekommen, die sich mit photonischen Experimenten beschäftigen. Als Theoretiker hat man immer abstrakte Vorstellungen von Zuständen und so weiter, aber die Experimentalphysiker können diese vorbereiten und die Verschränkung nachweisen. So bin ich vor langer Zeit, als ich Doktorand war, mit Photonik-Gruppen in Kontakt gekommen. Es war sehr schön, dass man als Theoretiker etwas macht oder berechnet und dann gibt es Experimentalphysiker, die es messen. Das war mein allererster Kontakt mit dem Bereich der Photonik!
Seitdem arbeite ich regelmäßig mit Photonik-Gruppen aus verschiedenen Orten zusammen, unter anderem zu Themen wie der Beobachtung von Quanteneffekten in Experimenten, der Vorhersage von Verschränkungen, Begriffen der Verschränkung oder der Vorbereitung interessanter Quantenzustände.
Was sind einige der überraschendsten oder unerwartetsten Anwendungen der Photonik, denen Sie in Ihrer Forschung oder Ihrem Studium begegnet sind?
Es ist schon eine interessante Anwendung, wenn man einen interessanten Quanteneffekt beobachtet. Es gibt verschiedene Anwendungsebenen. Mit Photonen kann man beispielsweise viele Experimente zur hochdimensionalen Verschränkung durchführen, bei denen man wirklich alle Freiheitsgrade eines Photons nutzt. Das bedeutet, dass man hochdimensionale Informationen kodieren oder einen hochdimensionalen Quantenraum, einen hochdimensionalen Hilbert-Raum, nutzen kann. Das ist das Überraschende daran: Manchmal ist es erstaunlich, wie weit man damit kommen kann! Was ich damit meine, ist, dass ein einzelnes Photon traditionell mit einfachen Freiheitsgraden wie der Polarisation beschrieben wird, also entweder horizontal oder vertikal. Heutzutage gehen Experimente jedoch weit darüber hinaus und nutzen zusätzliche Freiheitsgrade wie den Bahndrehimpuls oder vergangene Freiheitsgrade, wodurch sie hochverschränkte Quantenzustände mit nur einem einzigen Photon vorbereiten und eine Vielzahl neuer experimenteller Möglichkeiten erforschen können.
Was reale Anwendungen betrifft, beispielsweise in der Quantenmetrologie, kann man Quanteneffekte tatsächlich nutzen, um bestimmte Felder präziser zu messen. Dies geschieht beispielsweise mit Gravitationswellendetektoren. Das ist sehr vielversprechend und irgendwie überraschend.
Was begeistert Sie am meisten an der Zukunft der Photonik, und wohin wird Sie Ihre Forschung in den kommenden Jahren führen?
Der Bereich der Metrologie und Interferometrie wird meiner Meinung nach zunehmend an Bedeutung gewinnen. Derzeit werden diese Interferometer zur Detektion von Gravitationswellen eingesetzt, was sehr schön ist, aber es wird wahrscheinlich noch andere Anwendungsbereiche geben. Beispielsweise wird derzeit darüber nachgedacht, wie man die Quantengravitation in Experimenten testen kann, was meiner Meinung nach noch in weiter Ferne liegt. Aber für die Zukunft können solche Experimente sehr vielversprechend sein.
Was meine Forschung betrifft, so würde ich sagen, dass es in den kommenden Jahren vor allem darum gehen wird, die Eigenschaften von Mehrteilchenzuständen zu erforschen, also beispielsweise Mehrphotonen-Zustände, denn aus theoretischer Sicht gibt es viele interessante Effekte bei Mehrteilchen-Verschränkungen, die man nicht sehen kann, wenn man nur zwei Teilchen hat. Es gibt viele interessante Quantenzustände, die man auf irgendeine Weise sehr nützlich charakterisieren kann, und dies wird eines unserer Forschungsgebiete in den nächsten Jahren sein. Und natürlich wäre es wieder sehr schön, dies auch in photonischen Experimenten zu sehen. Ich meine, ich beschäftige mich nur mit der Theorie, aber hoffen wir das Beste!
