21 September 2022

Aufbruch in neue Welten

Der Physiker Immanuel Bloch wird als „Clarivate Citation Laureate“ für seine Pionierarbeiten auf dem Gebiet der Quantensimulation ausgezeichnet.

Als Immanuel Bloch im vergangenen Jahr Angela Merkel und Markus Söder durch die Labore am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München führte, war schnell klar, dass der Physiker auch hier offenbar keine Berührungsängste kannte. Für einen Grundlagenforscher sind solche Kontakte eher selten. Doch Bloch moderierte das souverän, so wie er jetzt, im Sommer 2022, genauso gelassen, eher neugierig, mit Verantwortlichen des Weltkonzerns Google Quantum in Santa Barbara über deren ambitionierte Projekte spricht. Zuvor war er einen Monat lang Gastprofessor an der Stanford University, diskutierte über Quantensimulationen, gerade nimmt er am Kavli-Institut für Theoretische Physik in Santa Barbara an einem Workshop teil.

Es ist ein dichtes Pensum, das sich Bloch für seine Sommerferien vorgenommen hat. „Ach“, sagt er und zuckt mit den Schultern während des Zoom-Gesprächs in einem Büro am Kavli-Institut. „Ich mache das ja auch nicht jedes Jahr, es ist schön, mit so vielen Kollegen zu diskutieren und neue Kontakte zu knüpfen, auch mal mit Leuten außerhalb der eigenen Gruppe zu reden.“ Das habe ihm in den letzten zwei Jahren aufgrund von Corona gefehlt. „Ich sauge das auf“, sagt er. „Ich habe so viele neue Ideen, ich muss sie nur sortieren und aufschreiben.“

Mit 31 Jahren war Bloch bereits Professor für Physik

Bloch, 49 Jahre, antwortet auf jede Frage schnell und präzise. Rasch wird beim Gespräch spürbar, dass einem da ein Physiker gegenübersitzt, der es auch in der Forschung gewohnt ist, ein hohes Tempo zu gehen. Neun Arbeitsgruppen leitet der Münchner Physiker derzeit, sowohl an der LMU wie am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching, wo er Direktor ist. Und schnell vorankommen als Forscher wollte Bloch schon immer. Mit 24 Jahren beendete er sein Physikstudium, mit 27 Jahren war er promoviert, mit 31 Professor für Physik. Nun wird er als „Clarivate Citation Laureate“ ausgezeichnet. Den Preis – es ist nach dem Leibniz- und dem Körberpreis eine weitere wichtige Auszeichnung für Bloch – vergibt der Medienkonzern Clarivate an Forschende, die er aufgrund ihrer häufigen Zitierung in hochrangigen wissenschaftlichen Veröffentlichungen als Kandidaten für den Nobelpreis einstuft. Rund ein Sechstel der Nominierten hat tatsächlich auch die wichtigste Auszeichnung der Wissenschaftswelt erhalten.

Darauf angesprochen, lacht Bloch. „Das ist Statistik. Preise kommen, oder sie kommen nicht. Und es gibt so viele fantastische Wissenschaftler, die eine Auszeichnung verdienen.“ Aber er freue sich sehr über die Auszeichnung für sich und seine Arbeitsgruppe, „weil sie sich auch auf meine wichtigste Arbeit bezieht“, so Bloch. „Wir haben offenbar etwas Nachhaltiges geschaffen, das freut mich, aber Preise waren nie Motivator für meine Forschung. Ich wollte immer machen, was mich interessiert, und Neues in der Physik entdecken.“

Basis für einen Quantencomputer

Immanuel Bloch ist Quantenphysiker, spezialisiert auf Quantensimulation und einer der Begründer dieses Feldes. Vereinfacht gesagt, geht es dabei darum, zum Beispiel Festkörper besser zu verstehen, insbesondere Phänomene wie Magnetismus oder Supraleitung. „Das Verhalten dieser Systeme ist sehr kompliziert, und noch schwieriger ist es, dieses zu berechnen“, erklärt Bloch. „Da helfen unsere neuen Modellsysteme, die auf sogenannten ultrakalten Atomen beruhen.“ Die Physiker sperren die Atome in Käfige aus Laserlicht, manipulieren und beobachten sie. Die Lichtgitter simulieren dabei die regelmäßigen Strukturen eines Festkörpers. Es ist ein stark beachtetes Feld, nicht nur, weil das Prinzip auch als mögliche Basis für eine spezielle Rechenform eines Quantencomputers gilt.

„Die Entwicklung der letzten zwanzig Jahre ist enorm“, sagt Bloch. Begeistert spricht er von den Möglichkeiten der Quantensimulation, die mittlerweile auch Google erkannt habe. Tags zuvor hatten ihn die Google-Quantum-Wissenschaftler spontan zum Besuch in der Zentrale eingeladen. „Die Google-Leute sehen die vielversprechendsten Anwendungen genau in den Bereichen, die wir verfolgen“, sagt er. „Sie sind sogar von unseren Experimenten inspiriert worden, da bin ich schon stolz. Google wird ja gern hochgehalten, wenn es um praktische Anwendungen geht. Ich kann nur sagen: Google interessieren ganz ähnliche wissenschaftliche Fragen wie uns. Das muss man unseren Politikern auch mal klarmachen.“

„Ich bin einfach meiner Begeisterung gefolgt“

Quantenphysik habe ihn schon während des Studiums fasziniert, erzählt er, besonders die damals neuen Arbeiten zum Bose-Einstein-Kondensat. Wenn Physiker über Quantenphysik reden, sprechen sie bisweilen ohne Vorwarnung auch über so exotische Dinge wie die Bose-Einstein-Kondensation, ein von Albert Einstein bereits 1925 vorhergesagtes Phänomen, bei dem alle Teilchen eines Systems im gleichen Zustand sind. Experimentell nachgewiesen wurde es erst 1995, als Bloch gerade Physik studierte. Millionen Atome in einem Kondensat wurden damals auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt, standen quasi still. „Da habe ich gespürt, dass hier etwas Neues erreicht wurde“, erklärt Bloch. „Man sah erstmals Materiewellen, Millionen von Teilchen verhielten sich wie eine kohärente Welle.“

Genau danach habe er gesucht. „Ich bin damals einfach meiner Begeisterung gefolgt.“ Sie führte ihn nach dem Studium nach Stanford. Sein Professor Mark Kasevich, erinnert sich Bloch, wollte ihn dann auch von Stanford mit nach Yale nehmen, doch er wollte lieber in Europa leben, auch später, als er erneut Angebote aus den USA erhielt. Wichtig sei sein Besuch im Jahr 1998 in München beim späteren Nobelpreisträger Theodor Hänsch gewesen. „Er hat mich damals im Auto aus der Innenstadt nach Garching mitgenommen, um mir alles zu zeigen“, erzählt Bloch. „Er nahm sich erstaunlich viel Zeit, um mich anzuwerben. Das hat mich beeindruckt. Und es war ja auch eine gute Entscheidung.“ Die Art, wie Hänsch Wissenschaft macht, habe ihn direkt angesprochen, die Freiheit, das Vertrauen, das er seinen Mitarbeitern gebe, ihre Forschung selbständig zu machen.

Vertrauen, Begeisterung, Intuition: Auch in der großen Physik sind das zentrale Werte

Es scheint also in der großen Physik auch um grundsätzliche Dinge zu gehen wie Vertrauen, Begeisterung und Intuition, das Gespür für neue Wege. In München baute Bloch dann sein erstes eigenes Experiment. Er habe „den Anschluss an die Festkörperphysik gesucht“, wollte also nicht nur Millionen von Teilchen haben, die sich wie im Bose-Einstein-Kondensat alle gleich verhalten, sondern etwas, was komplexer zu beschreiben ist und in dem die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen eine besondere Rolle einnehmen. Die Wechselwirkungen zwischen ihnen sorgen nämlich für ganz neue Organisationsprinzipien von Materie, die gerade in der modernen Festkörperphysik beim Magnetismus oder der Supraleitung eine ganz besondere Rolle spielen. „Wir wollten Ideen von Quantenphysikern wie Ignacio Cirac oder Peter Zoller umsetzen“, erzählt Bloch. Dafür habe man völlig neue Apparaturen entwickeln müssen. Mit Cirac arbeitet er jetzt im Übrigen im Exzellenzcluster MCQST (Munich Center for Quantum Science and Technology) und am MPQ zusammen.

Absolute Kontrolle über Atome

Die Forscher mussten Laser aufbauen, die Licht aus allen Richtungen einstrahlen, sie mussten lernen, in einem Bereich des Experimentiertisches Atome zu kühlen und diese dann zum Lasergitter zu transportieren. Alles musste aufeinander exakt abgestimmt sein. Ziel war, absolute Kontrolle über die Atome zu erreichen, um gezielt Materiezustände zu simulieren und zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her zu schalten, einem sogenannten Mott-Isolator und einer Supraflüssigkeit.

Über Monate bastelte Bloch mit seinen Kollegen Markus Greiner, Tilman Esslinger und Olaf Mandel am Versuch in der Münchner Schellingstraße an der LMU, probierte aus, programmierte Apparate, justierte seine Geräte auf Mikrometer genau. Beharrlich setzte er eine Idee um, die er im Kopf hatte, ein Experiment ohne Vorbild, ohne Bauplan. „Die Lust, etwas Neues auszuprobieren, was noch keiner gemacht hat“, sagt Bloch, „das war mein Antrieb.“

Der Erfolg kam dann nach drei Jahren, im Sommer 2001. Er erzählt, wie er oft nächtelang Messungen machte. „Diesen Übergang tatsächlich zu beobachten, war schon einer dieser seltenen Glücksmomente“, erinnert sich Bloch.

Experimentelle Geburtsstunde der Quantensimulation

Das Experiment gilt heute als experimentelle Geburtsstunde der Quantensimulation. Erstmals war mit einem Quantensystem ein Festkörpersystem modelliert worden. Die Idee dazu hatte der Nobelpreisträger Richard Feynman 1982 formuliert, knapp 20 Jahre später konnte Bloch sie als einer der ersten umsetzen. Ein neuer Forschungsbereich war geboren. Später gelang es dann auch, die Technik weiterzuentwickeln, um etwa einzelne Atome in solchen Gittern auch fotografieren zu können, Quantengas-Mikroskopie nennt man diesen Bereich, auch hier ist Bloch ein Pionier. „Wir konnten acht Jahre später den Phasenübergang aus unserem Experiment von 2001 im mikroskopischen Bild sehen und das Verhalten der Atome nun auch ganz direkt Atom für Atom beobachten“, sagt Bloch.

Bloch beschäftigt sich mittlerweile seit mehr als 20 Jahren mit ultrakalten Atomen, die er in Käfige aus Licht sperrt. Die Systeme und Phänomene, die sie beschreiben, sind vielfältiger geworden. Die Technik wurde immer genauer, um immer bessere Kontrolle zu erlangen. Im Gespräch spürt man, wie wichtig ihm als Physiker diese Kontrolle ist. Man müsse beharrlich sein, sich ständig hinterfragen und die Technik verfeinern, sagt Bloch.

Die Tische mit den Lasern, Lichtleitern, Linsen, Umlenkspiegeln, Vakuumkammern sehen für Laien wie große Spielflächen aus, auf denen leicht die Übersicht verlorengeht. Es dauert oft Jahre, so ein Experiment aufzubauen. Dies erfordert vorausschauendes Design der Apparaturen. „Wir wollen ja Jahre später noch wettbewerbsfähig sein“, sagt Bloch. „Wir müssen einerseits neue Sachen einbauen, die andere Forschergruppen nicht beherrschen, gleichzeitig aber nicht zu riskant vorgehen. Es muss ja auch funktionieren.“

Andere für Forschung begeistern

Offenbar kann Bloch auch seine Doktoranden motivieren, sich auf solche Abenteuer, auf Jahre ohne Publikationen einzulassen, im Vertrauen auf neue Erkenntnisse. Ein Grund liegt in seiner Fähigkeit, andere für die Forschung zu begeistern. Im Gespräch findet er schon mal ungewöhnliche Beschreibungen für seine Versuche, etwa wenn es darum geht, die Atome eines Gases zu bändigen. „Das ist wie ein Orchester, in dem jeder auf einem anderen Ton spielt und völliges Chaos herrscht“, sagt Bloch. Die niedrigen Temperaturen des ultrakalten Gases würden seine Atome zähmen, „dass jeder einen einzigen Ton spielt, einen wohlkontrollierten Ton.“ Der Physiker als Dirigent. Bloch sagt, in der Experimentalphysik sei Intuition sehr wichtig und die laufe viel über solche Bilder. „Wir diskutieren gar nicht so viel mithilfe von Formeln“, sagt Bloch. „Ein bildliches Verständnis eines Phänomens ist sehr wichtig, das nutzen wir, wenn wir unsere Arbeit erklären.“

Kein Wunder also, dass er auch schon öfter für seine gute Lehre ausgezeichnet wurde, Bloch wurde als Lecturer nach Cambridge, Yale oder Stanford eingeladen. „Für mich ist Lehre eine tolle Aufgabe, ich gebe mein Wissen unheimlich gern weiter“, sagt Bloch. „Es ist schön, junge Menschen für ein Gebiet zu begeistern. Man muss sich ständig hinterfragen beim Erklären, die Diskussionen sind enorm wichtig, da kommen Fragen, die ich selbst mir nicht überlegt hatte.“ Manchmal laufe es in der Forschung auch nicht so toll, da ziehe er viel Energie aus den Vorlesungen mit seinen Studenten. Und außerdem lerne man dort auch künftige Doktorandinnen und Doktoranden kennen. 20 seiner Mitarbeiter sind inzwischen Professoren, 45 Forschende haben erfolgreich ihre Doktorarbeit verteidigt. „Vielleicht ist am Ende die größte Errungenschaft eines Forscherlebens, zu sehen, wie viele Menschen, die man ausgebildet hat, es geschafft haben, tolle Positionen in Wissenschaft und Wirtschaft zu erreichen.“

Ein Gespür für praktische Anwendungen

Bloch ist dabei nicht nur an Grundlagenforschung interessiert. So beschreitet Blochs Team verschiedene Pfade, auch technische Entwicklungen wie etwa die jüngst hochrangig in Nature publizierte Studie zu einer Art Mikrowellenkühlschrank für Moleküle sind ihm wichtig. Bloch hat hier mit seinem Team eine neue Methode entwickelt, um Gase aus polaren Molekülen bis nahe dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Die besonderen Eigenschaften von Molekülen gegenüber einfachen Atomen machen diese besonders interessant für die Quantensimulation. Auch hier berichtet er von einem Auf und Ab in der Forschung. Der Erfolg stelle sich manchmal erst nach Jahren ein, so Bloch. Hier helfe eine langfristige Förderung etwa über den Exzellenzcluster Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST), bei dem Bloch einer der Sprecher ist. „Wir können solche Themen über Jahre hinweg verfolgen, müssen nicht jedes Jahr einen Erfolg nachweisen.“

Generell herrscht im Bereich der Quantenforschung eine regelrechte Aufbruchsstimmung. Ob sich alle Hoffnungen erfüllen, müsse sich zeigen. Er spricht auch den Hype um Quantencomputer an. Die praktischen Anwendungen könnten eher auf Feldern liegen, an die man überhaupt noch nicht denkt. „Wir versuchen, uns vom Hype nicht mitreißen zu lassen“, sagt Bloch. „Wir weisen auch auf Probleme hin, wir sind ja keine Firma, die werben muss.“ Gleichzeitig sichern die hohen Erwartungen Forschungsgelder, das weiß auch Bloch. Das mit einer Milliarde Euro geförderte EU-Flagship Quantum Technologies ist ein Beispiel. Auch in Bayern wird mittlerweile das Munich Quantum Valley als übergreifendes Netzwerk mit 380 Millionen Euro aus Landes- und Bundesmitteln gefördert. Die Politik ist näher an die Forschung gerückt. Das Munich Quantum Valley soll Forschungsarbeiten in die industrielle Anwendung bringen und speziell die Gründung von Start-ups forcieren. „Ohne diese Förderung würden wir schnell hinter die Chinesen und Amerikaner zurückfallen“, sagt Bloch. „Es ist gut, auch hier Erfahrungen zu sammeln.“

Bloch berät daher auch unentgeltlich das erste Start-up, das aus dem Munich Quantum Valley hervorgegangen ist. „planqc“ soll einen hoch skalierbaren, bei Raumtemperatur arbeitenden Quantencomputer entwickeln, der auf in optischen Gittern gefangenen Atomen basiert. „Ich finde es gut, wenn Ideen der Grundlagenforschung sich auch vermarkten lassen“, sagt Bloch. Gleichzeitig spürt er, dass er als Grundlagenforscher in einer Welt angekommen ist, die plötzlich unter starker Beachtung der Politik steht und in der auch plötzlich Konzerne wie Google, IBM und Microsoft mitmischen. „Das Gebiet hat sich sehr verändert“, sagt Bloch. „Wir müssen unser Schiff auf Kurs halten und weiter das machen, woran wir glauben.“

Eine kurze Biographie

Prof. Dr. Immanuel Bloch, geboren 1972, studierte mit 18 Jahren Physik, wurde 2000 bei Theodor Hänsch promoviert, ging dann 2003 nach Mainz, wurde damals mit 31 Jahren Professor. 2009 kehrte er nach München zurück, wurde gleichzeitig Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und an der LMU Inhaber des Lehrstuhls für Experimentalphysik – Quantenoptik. Inzwischen ist er auch Sprecher des Münchner Clusters MCQST und am Munich Quantum Valley beteiligt.

Quelle: LMU website