Interview mit Leibniz-Preisträger Frank Pollmann
Die Ordnung der Quantenwelt
Herr Pollmann, die Physik einzelner Quantenteilchen ist heute gut verstanden. Warum wird es so viel komplexer, sobald viele Teilchen zusammenwirken?
Da die Komplexität mit jedem weiteren quantenmechanischen Teilchen exponentiell ansteigt, lassen sich die Gleichungen nur in Ausnahmefällen mit Stift und Papier lösen. Selbst Supercomputer können heute nur winzige Gruppen von etwa 30 Teilchen exakt simulieren, was meist bei Weitem nicht ausreicht, um die zugrunde liegende Physik zu verstehen.
Beim Zusammenspiel vieler Teilchen können völlig neue kollektive Eigenschaften entstehen, die sich aus dem Verhalten einzelner Teilchen nicht ableiten lassen. Ein klassisches Beispiel ist Wasser: Ein einzelnes Molekül ist weder flüssig noch fest. Erst viele Moleküle gemeinsam können Eiskristalle bilden oder Wellen im Ozean erzeugen. Ähnliche Effekte beobachten wir in der Quantenwelt, in der durch kollektive Wechselwirkungen neue und oft sehr ungewöhnliche Zustände der Materie entstehen, die ihrer eigenen Ordnung folgen. Dazu zählen unter anderem sogenannte Quantenflüssigkeiten, in denen die Ladungsträger Bruchteile der Elementarladung tragen, Materialien, die bei tiefen Temperaturen elektrischen Strom verlustfrei leiten, sowie Systeme, die exotische topologische Phasen ausbilden.
Was genau sind topologische Phasen?
Topologische Phasen sind besondere Zustände der Materie, deren wichtigste Eigenschaften nicht von der genauen mikroskopischen Anordnung der Teilchen abhängen. Eine bekannte Analogie stammt aus der Geometrie: Eine Kaffeetasse und ein Donut gelten topologisch als gleich, weil beide genau ein Loch besitzen – obwohl sie völlig unterschiedlich aussehen. Ebenso bleiben in topologischen Materialien bestimmte Eigenschaften selbst dann erhalten, wenn das System verformt oder gestört wird.
Physikalisch führt dies zu einer außergewöhnlichen Robustheit. Elektrische Ströme können beispielsweise entlang der Ränder eines topologischen Materials fließen, ohne durch Defekte, Verunreinigungen oder Unordnung gestreut zu werden. Diese Stabilität entsteht nicht durch technische Perfektion, sondern durch fundamentale mathematische Prinzipien.
Warum werden diese Phasen so intensiv erforscht?
Die Arbeiten zu topologischen Phasen haben unser Verständnis von Materie grundlegend verändert. Sie machten deutlich, dass herkömmliche Festkörpertheorien ganze Klassen möglicher Zustände nicht erfassen. Diese Erkenntnisse führten zur Neubewertung der Materieklassifikation, die 2016 mit einem Nobelpreis gewürdigt wurde. Gleichzeitig sind diese Zustände auch technologisch hochinteressant. Sie stehen deshalb sowohl für eine grundlegend neue Physik als auch für potenziell transformative Technologien.
Welche Technologien sind das?
Topologische Phasen der Materie sind sehr robust gegenüber Rauschen, Unordnung und Imperfektionen. Diese Robustheit kann helfen, zentrale praktische Grenzen moderner Technologien zu überwinden – etwa Energieverluste in der Elektronik oder die hohe Fehleranfälligkeit heutiger Quantensysteme.
Auch wenn sich viele Anwendungen noch im Forschungsstadium befinden, ist das langfristige Potenzial groß. Es reicht von verlustarmer Elektronik über hochpräzise Sensoren bis hin zu neuen Plattformen für die Informationsverarbeitung.
Diese Phasen sind also auch für das Quantencomputing relevant?
Es gibt auf jeden Fall konkrete Ideen dazu, wie es theoretisch funktionieren kann. Bestimmte Quantenzustände ermöglichen es, Informationen nicht lokal zu speichern und sie dadurch besser vor Fehlern zu schützen. Dieses Prinzip bildet die Grundlage des topologischen Quantencomputings. Das Ziel besteht darin, Qubits zu entwickeln, deren Stabilität aus der Physik selbst entsteht, anstatt sie durch eine aufwendige externe Fehlerkorrektur zu gewährleisten.
Gleichzeitig gewinnen Quantencomputer selbst als Forschungswerkzeuge an Bedeutung. Viele komplexe Quantensysteme lassen sich auf klassischen Rechnern kaum abbilden, während Quantenprozessoren solche Systeme im Prinzip direkt simulieren können. In unserer aktuellen Forschung ist es bereits gelungen, topologische Phasen der Materie auf heutigen Quantencomputern zu simulieren. Dadurch wird der theoretische Werkzeugkasten erweitert und der Zugang zu Quantenzuständen eröffnet, die für klassische Algorithmen im Grunde unerreichbar sind.
Entscheidend ist eine starke Verbindung zwischen fundamentaler Quantenphysik und technologischer Entwicklung.
2025 war das Internationale Jahr der Quantenphysik. Welche Auswirkungen hatte es auf Ihr Fachgebiet?
Das Quantenjahr hat die Sichtbarkeit der Quantenforschung deutlich erhöht. Insbesondere das Quantencomputing wird heute als potenziell transformative Technologie wahrgenommen und nicht mehr nur als akademisches Spezialgebiet betrachtet.
Bei aller gestiegenen Aufmerksamkeit ist es jedoch entscheidend zu betonen, dass sich viele Quantentechnologien noch in einer frühen Entwicklungsphase befinden. Trotz großer Erwartungen ist noch offen, welche Probleme Quantencomputer tatsächlich effizient lösen werden und wo ihre langfristigen Vorteile liegen. Entsprechend ist eine starke und langfristig angelegte Grundlagenforschung weiterhin unverzichtbar.
Wie geht es in ihrem Fachgebiet weiter?
In den kommenden Jahren wird es entscheidend sein, die Verbindung zwischen fundamentaler Quantenphysik und der Entwicklung neuer Technologien zu stärken. Ein Ziel ist dabei, herauszuarbeiten, welche Materialien die besten Voraussetzungen für die Realisierung von Quantentechnologien bieten.
Ein weiteres zentrales Ziel ist die Entwicklung neuer Algorithmen – sowohl für klassische Rechner als auch für Quantenprozessoren – um Zugang zu Bereichen zu erhalten, die bislang außerhalb unserer Reichweite liegen.
Welche Bedeutung hat der Leibniz-Preis für Sie?
Meine Motivation ist es, Werkzeuge zu entwickeln, mit denen sich komplexe Quantensysteme wirklich verstehen und kontrollieren lassen. Der Leibniz-Preis schafft dafür besondere Freiräume. Er ermöglicht langfristige, risikoreiche Forschung, fördert interdisziplinäre Zusammenarbeit und erlaubt es, die zukünftige Entwicklung des Fachgebiets aktiv mitzugestalten.
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Prof. Frank Pollmann ist theoretischer Physiker an der TUM School of Natural Sciences. Er forscht zu stark korrelierten Quantensystemen und topologischen Phasen der Materie. Im Jahr 2026 wurde er mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis ausgezeichnet, der als der wichtigste deutsche Forschungspreis gilt und mit bis zu 2,5 Millionen Euro dotiert ist.
Insbesondere wurden seine bahnbrechenden Methoden zur Simulation komplexer Quantenmodelle gewürdigt. Die von ihm entwickelten und frei zur Verfügung gestellten Algorithmen haben die internationale Forschung in diesem Bereich nachhaltig vorangebracht.
- Ein Beitrag aus der dritten Ausgabe des TUM Magazins.
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