Technische Universität Berlin

Mit Quantenphysik aus dem Escape Room

Ein neues Werkzeug für die Wissenschaftskommunikation wird an der TU Berlin erprobt

Wie kann man Laien die Bedeutung der Quantentechnologien vermitteln und ihnen gleichzeitig ein Gefühl geben für die mysteriösen Gesetze, die deren Grundlage bilden? Beides passe sehr gut zu den mittlerweile weit verbreiteten „Escape Room“-Spielen, erklärt Dr. Robert Richter vom Fachgebiet Arbeitslehre/Technik und Partizipation der TU Berlin im Interview. In einem Escape-Room-Spiel muss eine Gruppe von Menschen im Rahmen einer vorgegebenen Abenteuergeschichte verschiedene Rätsel lösen, um aus dem Raum „entfliehen“ zu können. Nachdem Richter und sein Team vom Projekt EsCQuTe eine Förderung von 180.000 Euro über eineinhalb Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bewilligt bekommen haben, sind sie nun dabei, sich Storyline und Experimente für dieses neuartige Werkzeug der Wissenschaftskommunikation auszudenken.

Herr Richter, ist Quantenphysik nicht viel zu kompliziert für ein Escape-Room-Spiel?

Da sich unser Spiel an totale Laien richtet, darf es natürlich kein physikalisches Spezialwissen voraussetzen. Aber Quantenphysik bietet sich für Escape Rooms aus zwei Gründen wirklich an. Das Thema ist ja per se rätselhaft, auch für uns Forschende. Der Satz des Physik-Nobelpreisträgers Richard Feynman „Man kann mit Sicherheit davon ausgehen, dass niemand die Quantenmechanik versteht.“ ist angesichts der unglaublichen Entwicklungen auf dem Gebiet aktueller denn je. Die Regeln der Quantentheorie sind mathematisch extrem gut beschrieben, widersprechen aber häufig unseren Alltagserfahrungen. So können zwei Teilchen ein gemeinsames physikalisches System bilden, auch wenn sie Lichtjahre voneinander entfernt sind. Einstein verspottete das als „spukhafte Fernwirkung“. Aber sie ist real, wie sich herausgestellt hat. Auch dass Dinge einfach so passieren können, etwa der Zerfall eines Atomkerns, ohne dass es dafür eine konkrete Ursache gibt, widerspricht sehr unserem auf Kausalität beruhenden Weltbild. Im Rahmen eines Escape-Spiels sind Menschen eher bereit, sich auf diese mysteriösen Regeln einzulassen.

Gut, das Mysteriöse ist gekauft. Und der zweite Grund?

Die klassische Storyline für ein Escape-Spiel ist kurzgefasst „Ihr müsst die Welt retten und habt dazu jetzt noch eine Stunde und dreizehn Minuten Zeit.“ Dazu passt die große Bedeutung der Quantentechnologien für unsere Zukunft. Quantencomputer könnten eines Tages alle heute gängigen Verschlüsselungsverfahren knacken und so geheime Unterlagen offenlegen. Gleichzeitig eröffnet die Quantenkryptografie die Möglichkeit einer absolut abhörsicheren Kommunikation. Simulationen von komplexen Molekülen mit Hilfe von Quantencomputern könnten im Kampf gegen die Klimakrise eingesetzt werden, denn mit ihnen ließen sich neue Katalysatormaterialien finden, die Kohlendioxid in Rohstoffe für Chemiefabriken umwandeln. Außerdem könnten solche Simulationen die Erforschung von Proteinen voranbringen, die die Grundlage zum Beispiel für die Entwicklung von Impfstoffen darstellen.

Das klingt tatsächlich nach James Bond. Aber das ist ja nur interessant für die Story des Spiels, das eigentlich wichtige sind doch die Rätsel, die gelöst werden müssen, oder?

Ja und Nein. Wir wollen ja schon einiges über das Potential der Quantentechnologien vermitteln, und das können wir am besten über die Story. Denn tatsächlich sind echte Quantenexperimente für einen Escape Room viel zu aufwändig und zu teuer. Das heißt aber nicht, dass die Effekte für die Rätsel gar nichts mit dem Thema zu tun hätten.

Welche Experimente haben Sie sich denn bisher ausgedacht?

Wir können hier natürlich nicht alles verraten, aber eine Aufgabe ist zum Beispiel, dass man eine Frequenz ganz genau einstellen muss. Das ist in der Quantenphysik wichtig, wenn ich – etwas grob gesprochen – ein Elektron in einem Atom in eine höhere Umlaufbahn bringen will. Dann muss ich genau die dafür benötigte Energie als Licht auf das Elektron einstrahlen, es darf nicht mehr und nicht weniger sein. Die Energie des Lichts hängt dabei direkt mit seiner Frequenz zusammen, also letztlich mit der Farbe des Lichts. Wie kann ich den Leuten ein Gefühl für diese experimentelle Schwierigkeit geben? Wir nehmen dazu einen Ventilator, auf dessen Rotorblättern in Leuchtschrift eine Botschaft aufgemalt ist. Die sehen Sie nicht, wenn der Ventilator sich dreht. Irgendwo liegt aber in dem Escape Room auch eine Stroboskoplampe rum. Die Spieler*innen müssen auf die Idee kommen, die Blitzlampe zu nehmen und an der Frequenz der Blitze rumzuspielen. Wenn die Frequenz der Lampe genau der Umdrehungszahl des Ventilators entspricht, scheinen die Rotorblätter plötzlich still zu stehen und ich kann die geheime Botschaft lesen.

Dann müssen Sie sich dazu aber auch noch eine gute Geschichte ausdenken.

Ja, wichtig ist dabei, dass es nicht zu belehrend wird. Darin liegt eben die Kunst. Ein anderes Experiment, was noch etwas näher an den realen Anwendungen dran ist, sind Polarisationsfilter. Eine Lichtwelle kann ja in verschiedenen Richtungen schwingen, wie bei einem Pendel, das sich auch in verschiedenen Schwingungsebenen bewegen kann. Auch einzelne Lichtteilchen, das sind übrigens die „Quanten“ aus dem Begriff Quantenphysik, können so schwingen. Polarisationsfilter sind jetzt nur für eine Schwingungsrichtung durchlässig, zum Beispiel für eine horizontale oder eine vertikale Schwingung. In der Quantenkryptografie kann ich so die Schwingungsrichtung von Lichtteilchen gezielt sortieren. Und damit kann ich plötzlich digitale Codes erzeugen, indem ich zum Beispiel sage, dass ein horizontal schwingendes Lichtteilchen eine „1“ symbolisiert, ein vertikal schwingendes eine „0“.

Robert Richter und das Escape-Room-Team der TU Berlin

Dr. Robert Richter wurde 1983 in Berlin geboren und promovierte an der TU Berlin über die Photolumineszenz von Nanodiamanten. Schon während dieser Zeit leitete er das Projektlabor Physik, ein innovatives physikalisches Anfängerpraktikum. Zudem war er Mitbegründer des „Experimental Stage Project“, einem gemeinnützigen Verein, der sich der Vermittlung von Wissenschaft durch einen künstlerischen Ansatz widmet. Anfang 2016 wurde er gebeten, das „Naturkunde Medialab“ im Museum für Naturkunde Berlin aufzubauen. Seit Ende 2017 ist er wieder an der TU Berlin und betreut unter anderem die Kurse lab:prepare und lab:present zur studentischen Wissenschaftskommunikation. Zudem leitet er das Escape-Room-Projekt EsCQuTe, das vom Forschungsministerium im Rahmen der Förderlinie „Quantum aktiv – intuitive Outreachkonzepte für die Quantentechnologien“ unterstützt wird. Zu seinem Team gehören die Physiker*innen Benjamin Maaß und Charlotte Maurer. Die Arbeitsgruppe „Physikalische Grundlagen der IT-Sicherheit“ um Prof. Dr. Janik Wolters von der TU Berlin unterstützt das Team fachwissenschaftlich. Nach ausführlichen Tests mit Teilnehmenden soll das Escape-Room-Konzept Bildungseinrichtungen und Veranstalter*innen frei zur Verfügung gestellt werden.

Kann man denn so einfach einzelne Lichtteilchen erzeugen?

Nein, solche „Einzelphotonenquellen“ sind sehr empfindlich und kosten viel Geld. Aber die Filterwirkung funktioniert ja auch mit vielen Lichtteilchen. In unserem Rätsel muss das Escape-Team mehrere Filter so geschickt drehen, dass alle auf die gleiche Schwingungsrichtung eingestellt sind und so die gesamte Anordnung transparent wird. Dann kann man wieder eine Botschaft lesen, die einem beim Entkommen aus dem Raum weiterhilft.

Sind Sie eigentlich die Ersten, die dieses Format für die Wissenschaftskommunikation entdeckt haben?

Nein, es gibt zum Beispiel den Wissenschaftskommunikator Sascha Vogel aus Frankfurt am Main, der einen Physik-Escape-Room konzipiert hat. Oder Paul Kwiat von der University of Illinois in den USA. Dort sind schon 1.700 wissenschaftliche Escape-Room-Missionen erfolgreich durchgeführt worden, mit 8.500 Teilnehmenden. Mit beiden tauschen wir uns auch sehr rege aus. Aber: Wir sind die ersten, die dezidiert einen Escape Room zum Thema Quantentechnologien bauen.

Kann man denn bei Ihnen noch mitmachen, wenn man jetzt Lust bekommen hat, zum Beispiel als Student*in einer Naturwissenschaft?

Wir sind auf jeden Fall immer offen für Ideen und Interessierte! Ab kommendem Semester bieten wir unseren Kurs lab:prepare an allen großen Berliner Universitäten im „Project Sci.Com“ an, das von der Berlin University Alliance gefördert wird. Da lernen Studierende die handwerklichen und organisatorischen Grundlagen von Wissenschaftskommunikation. Im letzten Semester hat eine Gruppe Studierender schon ein mögliches Rätsel für den Escape Room entwickelt. Das ganze Escape-Room-Projekt steht ja im Zeichen von DIY und „Maker Culture“. Da geht es neben der Sache auch immer um den Spaß an der Zusammenarbeit mit anderen und am gegenseitigen Austausch.

Das Interview führte Wolfgang Richter.