Serge Haroche: Der Mann, der Licht einfing, ohne es zu töten

Serge Haroche verbrachte fünfzehn Jahre damit, einem einzelnen Photon in einer Spiegelbox nachzujagen, in dem Versuch, es zu sehen, ohne es zu zerstören – eine Leistung, die Physiker seit den frühen Tagen der Quantenmechanik für unmöglich gehalten hatten. Als ihm dies 2006 schließlich gelang, hatte er nicht nur Licht gemessen; er hatte einer Schrödingerschen Katze in Echtzeit, Bild für Bild, beim Sterben zugesehen und den Moment festgehalten, in dem die Quantenrealität in der gewöhnlichen Welt kollabiert.

Von Casablanca an die École Normale

Haroche wurde am 11. September 1944 in Casablanca, dem damaligen Französisch-Marokko, in einen zweisprachigen Haushalt hineingeboren – Russisch von seiner Mutter Valentine Roubleva, deren Familie vor der Bolschewistischen Revolution geflohen war, und Französisch von seinem Vater, dem Anwalt Albert, dessen Eltern Erzieher bei der Alliance Israélite Universelle gewesen waren. Nach der marokkanischen Unabhängigkeit zog die Familie 1956 nach Paris, ein einschneidender klimatischer und kultureller Wandel für einen Jungen, der mit Orangenbäumen und der Atlantikküste aufgewachsen war. Am Lycée Louis-le-Grand büffelte er für Frankreichs harte Aufnahmeprüfungen und belegte 1963 landesweit den ersten Platz sowohl für die École Polytechnique als auch für die École Normale Supérieure. Er wählte die ENS, da er sie für das bessere Sprungbrett für eine wissenschaftliche Karriere hielt, und dort erlag er dem Zauber von drei beeindruckenden Lehrern: Alfred Kastler für physikalische Intuition, Jean Brossel für experimentelle Strenge und Claude Cohen-Tannoudji, der sein Doktorvater wurde.

Gekleidete Atome und ein kalifornischer Umweg

Unter Cohen-Tannoudji entwickelte Haroche das Bild des «gekleideten Atoms» (dressed atom) – die Behandlung eines Atoms, das in Hochfrequenzstrahlung gebadet ist, als ein Atom, das ständig in eine Wolke von Photonen gehüllt ist, eine Neuformulierung, die der Mikrowellenspektroskopie ein echtes Quantenvokabular verlieh. Er beendete seine Promotion 1971 und nahm eine Postdoc-Stelle in Stanford beim Laserpionier Arthur Schawlow an, der ihm eine Maxime hinterließ, die er jahrzehntelang wiederholen sollte: dass Erfolg in der Forschung nicht enzyklopädisches Wissen erfordert, sondern ein paar Dinge, die sonst niemand weiß. In Zusammenarbeit mit dem Doktoranden Jeffrey Paisner untersuchte er atomare Quanten-Beats und präsentierte die Ergebnisse auf einer Konferenz 1973 in Vail – sein erster echter Geschmack vom internationalen Physik-Zirkus.

Bau von Hohlräumen in Paris

Zurück in Paris 1973, gab ihm Jean Brossel Laborplatz an der ENS, und Haroche begann mit dem Studenten Michel Gross eine systematische Studie von Rydberg-Atomen – Atome, die in riesige, fragile Elektronenbahnen nahe dem Ionisationspunkt gepumpt wurden. Im Laufe des folgenden Jahrzehnts wuchs die Gruppe: Claude Fabre, dann Jean-Michel Raimond, dann der Mikrowellenspezialist Philippe Goy und später Michel Brune. Gemeinsam bauten sie den Apparat, der Haroches Karriere definieren sollte – supraleitende Hohlräume, die so nahe am absoluten Nullpunkt gekühlt und so präzise poliert waren, dass ein einzelnes Mikrowellenphoton eine Zehntelsekunde lang darin hin und her springen konnte und dabei die äquivalente Entfernung von der Erde zum Mond zurücklegte, bevor es starb. Rydberg-Atome, empfindlich für den leisesten elektromagnetischen Anstoß, wurden als lebende Detektoren einzeln durch den Hohlraum geschickt, fähig, die Anwesenheit eines Photons zu registrieren, ohne es zu absorbieren.

Schrödingers Katze auf frischer Tat ertappt

Die entscheidende Idee stammte aus einem transatlantischen Gespräch. Bei einem Besuch in Rio de Janeiro im Jahr 1989 begann Jean-Michel Raimond, Ideen mit den Theoretikern Luiz Davidovich und Nicim Zagury über das zerstörungsfreie Zählen von Photonen auszutauschen – ein Schema, das im Prinzip auch «Schrödingers-Katze»-Zustände erzeugen und untersuchen könnte, in denen ein Lichtfeld in zwei widersprüchlichen Bedingungen gleichzeitig existiert. Ein Artikel von 1991 in Physics Today von Wojciech Zurek überzeugte Haroche davon, dass das Experiment in Reichweite lag. Es dauerte weitere fünfzehn Jahre des Hohlraumbaus, um dorthin zu gelangen. Bis 2006 erzielte das Team mit den Postdocs Stefan Kuhr und Igor Dotsenko eine Reihe von Premieren: Sie zählten einzelne Mikrowellenphotonen, ohne sie zu zerstören, beobachteten ein Feld in Echtzeit zwischen Quantenzuständen springen, präparierten echte Schrödingers-Katze-Zustände von Licht und maßen dann – als krönendes Ergebnis – direkt die Dekohärenz, wobei sie zusahen, wie sich die Superposition Schritt für Schritt in gewöhnliches klassisches Verhalten auflöste. Es war in der Tat das erste direkte experimentelle Video, wie Quantenmechanik zur Alltagswelt wurde.

Der Nobelpreis und die Zeit danach

Am 9. Oktober 2012 verlieh die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften Haroche den Nobelpreis für Physik, den er sich mit dem amerikanischen Physiker David J. Wineland teilte, «für bahnbrechende experimentelle Methoden, die das Messen und Manipulieren einzelner Quantensysteme ermöglichen». Wineland hatte parallele Leistungen mit gefangenen Ionen erzielt; Haroche hatte dies mit Photonen und Atomen getan – zwei Wege zur selben Grenze, bei denen einzelne Quantenobjekte kontrolliert werden, ohne die fragile Eigenschaft zu zerstören, die sie zu Quantenobjekten macht. Haroche sagte später, das Ausmaß der öffentlichen Aufmerksamkeit, die folgte, habe sogar die der Goldmedaille des CNRS übertroffen, die er 2009 erhalten hatte, und dass er lernen musste, Nein zu sagen, einfach um die Zeit zu schützen, um weiterarbeiten zu können. Im selben Jahr wurde er zum Administrator des Collège de France gewählt, wo er seit 2001 den Lehrstuhl für Quantenphysik innehatte, nachdem er von Cohen-Tannoudji und Pierre-Gilles de Gennes rekrutiert worden war; er diente als Administrator bis 2015. Er hatte auch Gast- oder Teilzeitpositionen in Yale, am MIT, in Harvard und an der École Polytechnique inne, und später eine Fermi-Professur an der Universität La Sapienza in Rom im Jahr 2022.

Warum Serge als Genie bezeichnet wird

Haroches Genie ist eng, tief und fast vollständig experimentell – die Geduld, fünfzehn Jahre damit zu verbringen, einen Spiegel zu perfektionieren. Sein eigentlicher intellektueller Beitrag war keine neue Gleichung, sondern eine kontrollierte Umgebung: ein Hohlraum, der sauber und kalt genug war, und ein Detektionsschema, das sanft genug war, um Physikern zu erlauben, die Quantensuperposition sterben zu sehen, anstatt nur daraus zu schließen, dass sie sterben muss. Das ist eine andere Art von Genie als das von Einstein oder Feynman – näher an dem eines Meisters des Instrumentenbaus – und Haroche selbst schreibt es eher der Zusammenarbeit als einer einsamen Brillanz zu und besteht darauf, dass «Zeit und Vertrauen» in seinem Labor mehr zählten als Geld. Das Nobelkomitee bezeichnete die Arbeit in seiner Begründung als «bahnbrechend», die institutionell gewichtigste Verwendung des Wortes, die in der Physik verfügbar ist, und Kollegen haben das von ihm aufgebaute Kastler-Brossel-Cavity-QED-Programm lange Zeit als die Eröffnung eines ganzen Teilgebiets, der Quanteninformationswissenschaft, für experimentelle Tests beschrieben. Das ehrliche Gegenargument: Haroche hat die Dekohärenz nicht theoretisch entdeckt – Zurek und andere hatten sie Jahre zuvor beschrieben – und sein Triumph bestand darin, eine bekannte Vorhersage exquisit zu bestätigen, anstatt eine zu konzipieren. Es belohnt Handwerk, Hartnäckigkeit und Laborkultur ebenso sehr wie reine Einsicht.

Vermächtnis

Haroches Cavity-QED-Techniken wurden zu grundlegenden Werkzeugen für die Quanteninformatik und die Quantenfehlerkorrektur, Bereiche, die heute Tausende von Forschern und mehrere große Technologieunternehmen beschäftigen. Er bleibt Professor Emeritus am Collège de France, und das Buch, das er gemeinsam mit Raimond schrieb, Exploring the Quantum: Atoms, Cavities and Photons (2006), ist immer noch ein Standardnachschlagewerk für das Feld, das er mit erfunden hat.