Frank Pillmann. Foto: Rene Gaens, MPI-PKS
Planck-Forscher Pollmann ebnet mit Modell von „toplogischen Phasen“ einen Weg zum Supercode-Knacker
Dresden, 9. Dezember 2014: Die „Deutsche Physikalische Gesellschaft“ (DPG) zeichnet den Dresdner Forscher Dr. Frank Pollmann mit dem renommierten „Walter-Schottky-Preis 2015“ für dessen Untersuchungen von „topologischen Quantenzuständen“ aus. Denn der 36-jährige Wissenschaftler vom „Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme“ in Dresden hat ein mathematisches Modell entwickelt, um bisher wenig erforschte Phasenübergänge in der Quantenwelt zu erklären. Diese Ansätze könnten in Zukunft einmal den Weg zu Supercomputern ebnen, die imstande sind, viele Geheimcodes binnen Sekunden zu knacken.
„Will verstehen, wie die Welt funktioniert“
Pollmann zeigte sich erfreut über den mit 10.000 Euro dotierten und nach dem deutschen Elektronik-Pionier Walter Schottky (1886-1976) benannten Preis, den er sich mit Dr. Andreas Schnyder vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart teilen wird. Der Physiktheoretiker kündigte an, mit seinem Team noch tiefer in die mysteriöse Welt der kleinen Teilchen und starken Magnetfelder, in der Materialien plötzlich ganz neue Eigenschaften zeigen, eintauchen zu wollen. Ihn treibe die Neugier eines jeden Wissenschaftlers, sagte er: „Zu verstehen, wie die Welt funktioniert.“ Dabei handelt es sich um Grundlagenforschung. Deren praktische Verwertung dauert oft Jahre oder gar Jahrzehnte– führt aber nicht selten zu bahnbrechenden neuen Geräten oder Werkstoffen.
Sowjetischer Forscher Landau lieferte Symmetrie-Theorie für Eisschmelze
Um kurz zu erklären, womit sich Pollmann beschäftigt, muss man sich an die „Aggregats-Zustandsänderungen“ aus dem Physik-Unterricht erinnern: Wenn zum Beispiel Wasser gefriert oder Eisen schmilzt, ist dies eine Phasenänderung. Der sowjetische Physiker Lew Landau entwickelte 1937 eine Theorie, die diese und andere Phasenübergänge in der Natur scheinbar vollständig erfasst und durch Symmetrie-Änderungen in den Stoffen erklärbar machte. Demnach schließen sich in Stoffen, die ihre Phase ändern, die Atome entweder schön ordentlich zusammen oder versinken – in umgekehrter Richtung – im Chaos.
Dabei kommt es auch zu Symmetriebrüchen: Würde man beispielsweise einen Beobachter in ein U-Boot stecken, millionenfach verkleinern und dann ins Wasser werfen, könnte dieser Forscher seinen Weg wieder heraus nicht finden, indem er sich an den Wassermolekülen ringsum orientiert, denn die wirbeln wild umher. Egal, wie oft man das U-Boot auch dreht: In diesem symmetrischen System findet man keine Wegweiser. Gefriert das Wasser aber, schließen sich die Teilchen zu Kristallgittern zusammen, nehmen eine Ordnung ein, in der es nicht mehr egal ist, in welche Richtung der Beobachter guckt – ganz offensichtlich hat ein Symmetriebruch und damit ein Phasenübergang stattgefunden.
Quanten-Hall-Effekt stellte Landau-Theorie in Frage
1980 entdeckte aber der Physiker Klaus von Klitzing in einem flächigem Elektronengas den sogenannten „Quanten-Hall-Effekt“ – einen exotischen Phasenübergang unter starken Magnetfeldern und sehr tiefen Temperaturen, der ohne Symmetriebruch vonstatten ging und von Landaus Theorie nicht mehr erklärt werden konnte. Diese Wandlungen werden seitdem als „topologische Phasenübergänge“ bezeichnet, ohne dass die Forscher sie so recht einordnen konnten.
Stabile Quantencomputer im Visier
Pollmann ist es nun jedoch gelungen, eine neue Klasse „symmetriegeschützter topologischer Phasenübergänge“ mathematisch zu beschreiben. Dadurch können die Physiker nun gezielter nach besonders stabilen Zuständen suchen, die auch jenseits einzelner Teilchen im Labor Bestand haben. Dies könnte vielleicht auch die Konstruktion stabiler Quantencomputer ermöglichen, die als „Supercode-Knacker“ alle möglichen Kombinationen auf einmal ausprobieren. Autor: Heiko Weckbrodt
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