Von der Musik zur Quantenphysik

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Die Quantenphysikerin Celeste Carruth gehört zum diesjährigen Kreis der WEF Youn

Die Quantenphysikerin Celeste Carruth gehört zum diesjährigen Kreis der WEF Young Scientists. ( ETH Zürich / Stefan Weiss)

Celeste Carruth wollte ursprünglich Musikerin werden. Nun entwickelt sie als Physikerin an der ETH eine neue Technik zur Kontrolle von Ionen. Als Mitglied der Young Scientist Community des WEF möchte sie dazu beitragen, dass auch Laien die Quantenphysik besser verstehen.

«Ich habe mich sehr gefreut, dass ich ausgewählt wurde», erklärt Celeste Carruth gleich zu Beginn des Gesprächs. Mitte Mai erfuhr die Physikerin, dass sie in den diesjährigen Kreis der «WEF Young Scientists» aufgenommen wurde, als eine von gerade mal 25 Forscherinnen und Forschern weltweit. Sie gehört nach Ansicht der Jury zu denjenigen aussergewöhnlichen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die sich dafür einsetzen, dass wissenschaftliche Erkenntnisse aus einem zukunftsweisenden Gebiet in die Gesellschaft gelangen.

Seit 2008 wählt das World Economic Forum WEF jedes Jahr rund zwei Dutzend Forschende unter 40 Jahren aus, die als akademischer Nachwuchs in die Arbeit des WEF einbezogen werden sollen. Aufgabe der Young Scientists ist es gemäss Angaben des WEF, Spitzenforschung allgemein verständlich zu vermitteln und eine globale Gemeinschaft von wissenschaftlichen Führungspersönlichkeiten aufzubauen, die sich für eine Zusammenarbeit bei gemeinsam identifizierten Themen engagiert.

Noch keine Reise nach China

Eigentlich hätte Carruth Ende Mai nach China fliegen sollen, um dort die anderen Mitglieder ihrer Jahrgangsklasse zu treffen. Doch auch beim WEF läuft dieses Jahr nicht alles so wie in den Vorjahren. Deshalb musste sich die Physikerin vorerst mit einem Online-Onboarding zufrieden geben. «Hoffentlich kann ich die Reise noch nachholen», erklärt sie. «Denn der persönliche Austausch mit anderen Forschenden ist sehr anregend.»

Auch ihre wissenschaftliche Arbeit musste sie dieses Jahr kurzfristig umstellen. Als Physikerin durfte sie nicht mehr ins Labor auf dem Hönggerberg, aber sie konnte von zu Hause aus weiter an der Gestaltung des Experiments arbeiten. «Mit der Zeit war ich es etwas müde, immer zuhause vor dem Bildschirm zu sitzen», blickt sie zurück. Nun freut sie sich, dass sie wieder vor Ort mit dem Bau des Experiments beginnen kann.

Bestehende Nachteile überwinden

Als Postdoc entwickelt sie an der ETH Zürich eine neue Technik, in die ihr Mentor Jonathan Home, Professor für Experimentelle Quantenoptik und Photonik, grosse Hoffnungen setzt. Im Rahmen eines ERC-Grants will er mit seinem Team eine neue Architektur für zweidimensionale mikrofabrizierte Penning-Fallen entwickeln, um Ionen als Quantenobjekte besser und vor allem in grösserer Menge kontrollieren zu können - ein wichtiger Schritt zur Nutzung solcher Ionen in einem Quantencomputer.

Die meisten Experimente mit gefangenen Ionen, bei denen es um Quanteninformation geht, verwenden Hochfrequenz-Paul-Fallen zur Kontrolle der Ionen. Auch in Homes Gruppe wird diese Technik eingesetzt. Doch sie hat ein paar gravierende Nachteile: Man kann die Ionen nur in einer Reihe anordnen, was die Zahl der Quantenobjekte limitiert. Zudem heizt das oszilierende elektrische Feld, das zum Einfangen der Objekte benötigt wird, die Ionen auf, was natürlich ungünstig ist, weil sie nur nahe beim absoluten Nullpunkt als Quantenobjekte funktionieren.

Penning-Fallen hingegen haben diese Nachteile nicht. Die Forschenden hoffen nun, dass man mit den neuen mikrofabrizierten Penning-Fallen Ionen nicht nur in eindimensionalen, sondern auch in zweidimensionalen Strukturen einfangen und mit weniger Verlusten kontrollieren kann. Ob das tatsächlich so funktioniert wie geplant, das soll Carruth nun zusammen mit anderen aus dem Team herausfinden. «In einem ersten Schritt werden wir zwei Ionen in einer Penning-Falle kontrollieren», meint sie. «Danach werden wir die Zahl kontinuierlich steigern.»

Eine ziemlich grosse Umstellung

Eigentlich kommt Carruth aus einer ganz anderen Ecke der Physik. Für ihre Doktorarbeit an der University of California, Berkeley untersuchte die gebürtige Amerikanerin am Alpha-Experiment am Cern in Genf sogenannten Anti-Wasserstoff. «Wir konnten mit unserer Gruppe erstmals eine Spektralanalyse von Anti-Materie aufzeichnen», berichtet sie. «Das fand ich sehr aufregend: zu wissen, dass das, was man gerade sieht, völlig neu ist.»

Ganz unerwartet kommt der Wechsel zu Quantenphysik dennoch nicht. Damals am Cern entwickelte sie Techniken, um Anti-Wasserstoff-Atome in zylindrischen Penning-Fallen zu kontrollieren. Just diese Erfahrungen helfen ihr nun, in einem ganz anderen Gebiet Fuss zu fassen. Es sei schon eine ziemliche Umstellung gewesen, als sie vor gut einem Jahr an die ETH gekommen sei. «Am Cern arbeitete ich in einer grossen Kollaboration. Wir hatten Schichtpläne, damit wir rund um die Uhr messen konnten, und ich hatte stets einen klaren Auftrag.» In der Gruppe von Home sei sie viel mehr auf sich selber gestellt und habe mehr Freiheiten. Vor allem aber schätzt sie an der ETH die vielfältige Expertise, auf die sie zurückgreifen kann. «Es gibt viele smarte Menschen hier», meint sie.

Die Suche nach der Wahrheit

Dass sie einmal als Quantenphysikerin arbeiten würde, hätte sie sich zu Beginn ihres Studiums nicht vorstellen können. Ursprünglich wollte sie professionelle Geigerin werden und entschied sich für das Hauptfach Musik an der University of Michigan. Nur aus Neugierde entschied sie sich, daneben auch Physik zu studieren. Als sie die Möglichkeiten entdeckte, die sich für sie in der physikalischen Forschung eröffneten, beschloss sie, ihre berufliche Laufbahn zu ändern und Physikerin zu werden.

Ihrer Leidenschaft geht die Geigenspielerin trotzdem noch nach. Sie spielt bei den Zürcher Symphonikern und gelegentlich auch Kammermusik mit anderen ETH-Forschenden. Die Liebe zur Musik teilt sie auch mit ihrem Betreuer Jonathan Home, der ebenfalls auf hohem Niveau Geige spielt. Zwischen den beiden Fächern sieht Carruth viele Parallelen: «Hier wie dort muss man die Sinne schärfen, wenn man Erfolg haben will», erklärt sie. «Und vor allem braucht man viel Intuition.» Am YMCG-Musikprogramm unter der Leitung von Yo-Yo Ma, das Carruth letzten Januar in China besuchte, sprach der berühmte Cellist «von der Suche nach Wahrheit in der Musik». Davon fühle sie sich sehr angesprochen: «Auch in der Physik geht es um die Suche nach der Wahrheit - nach dem, was unsere Welt letztlich ausmacht.»

Quantenphysik wird immer wichtiger

Die für viele Menschen mysteriöse Welt der Quantenphysik zugänglicher zu machen, ist ihr ein grosses Anliegen. Deshalb engagiert sie sich nebenher bei der Quantum FutureX Initiative (QFX). Diese Initiative befindet sich noch im Anfangsstadium. Experten aus unterschiedlichen Fachbereichen arbeiten dort zusammen, um der Öffentlichkeit die Grundlagen der Quantenphysik verständlich zu machen. «In der Quantenphysik gibt es viele interessante Effekte, die auch von praktischer Relevanz sind», erklärt sie. «Und da die Quantenphysik im Alltag an Bedeutung gewinnt, ist es wichtig, dass Laien eine Ahnung davon haben.» Viele Firmenchefs werden sich künftig mit diesem Fachbereich auseinandersetzen müssen, ist sie überzeugt. «Wie sonst sollen sie Entscheide fällen, die beispielsweise für die Sicherheit ihres Unternehmens wichtig sind?» Genau dazu will sie als WEF Young Scientist nun einen Beitrag leisten.

Felix Würsten