Vom Gedankenexperiment zur Quantentechnologie

Der diesjährige Physik-Nobelpreis würdigt Forschungen, die eine zentrale Rolle auf dem weiten Weg von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung spielen, in diesem Falle bei der quantenmechanischen Verschränkung. Eine beliebte Umschreibung lautet: Was mit einem der Teilchen (etwa Photonen) in einem verschränkten Paar geschieht, bestimmt instantan, was mit dem anderen Teilchen passiert, selbst wenn beide Teilchen weit voneinander entfernt sind. Verschränkte Teilchen zeigen Korrelationen, die sich nicht klassisch erklären lassen, denn sie sind weder durch eine lokale Ursache am Ort ihrer Erzeugung begründet, noch beruhen sie auf einem Austausch von Informationen, denn dieser müsste mit Überlichtgeschwindigkeit stattfinden müsste.

Lange Zeit stellte sich die Frage, ob sich die „spukhafte Fernwirkung“ dieser Korrelation darauf zurückzuführen lässt, dass die Teilchen in einem verschränkten Paar „versteckte Variablen“ enthalten, d. h. Anweisungen, die ihnen sagen, welches Ergebnis sie in einem Experiment liefern sollen. Einstein und Schrödinger konnten sich mit einer nichtlokalen Quantenmechanik nicht abfinden. Beide versuchten mit ausgefeilten Gedankenspielen (das Einstein-Podolsky-Rosen-Experiment bzw. „Schrödinger Katze“) zu zeigen, dass die scheinbar paradoxen Folgen der Verschränkung – den Begriff prägte Schrödinger selbst –einer lokal realistischen Physik nicht widersprechen.

In den 1960er-Jahren entwickelte der irische Theoretiker John Stewart Bell die nach ihm benannte mathematische Ungleichung, die besagte, dass bei Vorhandensein verborgener Variablen die Korrelation zwischen den Ergebnissen einer großen Anzahl von Messungen niemals einen bestimmten Wert überschreiten wird. Die Quantenmechanik sagt jedoch voraus, dass eine bestimmte Art von Experimenten gegen die Bellsche Ungleichung verstößt, was zu einer stärkeren Korrelation führt, als sie klassisch möglich wäre.

Der amerikanische Physiker John F. Clauser (geb. 1942) entwickelte die Ideen von John Bell weiter, was in einem zu Experiment mündete, das er 1972 zusammen mit seinem Kollegen Stuart Freedman (1944 – 2012) an der University of California (UoC) Berkeley durchführte. Die beiden maßen die Korrelationen verschränkter Photonenpaare und realisierten damit ein Analogon zum Stern-Gerlach-Experiment zum Nachweis der Richtungsquantelung. Clauser und Freedman konnten nachweisen, dass die Messungen gegen eine Bellsche Ungleichung verstießen. Die Quantenmechanik ließ sich demnach nicht durch eine Theorie mit versteckten Variablen ersetzen.

Nach diesem wegweisenden Experiment blieben jedoch einige Lücken („Loopholes“) bestehen, die versteckte Variablen doch noch zuließen. Zehn Jahre später entwickelten Alain Aspect (geb. 1947) und seine Mitarbeiter am Institut d’Optique Théorique et Appliquée der Université Paris-Sud den Aufbau von Clauser und Freedman weiter. Sie führten eine Version des EPR-Gedankenexperiments durch und waren in der Lage, die Messeinstellungen zu ändern, nachdem ein verschränktes Paar seine Quelle verlassen hatte, sodass die Einstellung, die zum Zeitpunkt der Emission bestand, das Ergebnis nicht beeinflussen konnte.

Anton Zeilinger (geb. 1945) lotete ab 1990 in Innsbruck und ab 1999 in Wien mit seinen vielseitigen Experimenten zur Verschränkung die Grenzen und Möglichkeiten der Quantenwelt weiter aus. So konnte seine Forschungsgruppe unter anderem 1998 die sogenannte Quantenteleportation nachweisen, d. h. die Übertragung eine Quantenzustands von einem Teilchen auf ein anderes. 2012 gelang es Zeilinger und seiner Gruppe, den Zustand eines Photons über eine Entfernung von 143 Kilometern von der kanarischen Insel La Palma nach Teneriffa zu übertragen.

Was der Physik-Community lange theoretisches Kopfzerbrechen verursachte, ist heute Basis bahnbrechender Anwendungen: Quantenmechanische Verschränkung und Teleportation bilden die Grundlage für Quantentechnologien in der Kommunikation, Kryptografie und als Quantencomputer.

„Die Experimente von Aspect, Clauser und Zeilinger zeigen uns, dass die Physik der Quanten eine ganz andere ist als das, was wir um uns herum sehen und typischerweise erleben“, sagt Joachim Ullrich, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG). Zusammen mit vielen Journalistinnen und Journalisten verfolgte er im Magnus-Haus Berlin, der Hauptstadtrepräsentanz der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) die Live-Übertragung zur Bekanntgabe des Nobelpreises für Physik.

Die drei Physiker wurden bereits 2010 gemeinsam mit dem Wolf-Preis für ihre grundlegenden konzeptionellen und experimentellen Beiträge zu den Grundlagen der Quantenphysik ausgezeichnet. Alain Aspect erhielt den Herbert-Walther-Preis, der gemeinsam von der OPTICA (früher OSA) und DPG herausragende Beiträge in der Quantenoptik und der Atomphysik sowie hervorragende Leistungen in der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft würdigt.

Alexander Pawlak
 

Weitere Informationen

• Nobelpreis für Physik 2022
• Wissenschaftlicher Hintergrund zum Nobelpreis für Physik 2022 PDF
• John Francis Clauser (persönliche Homepage)
• Alain Aspect (Wikipedia)
• Anton Zeilinger (IQOQI, Wien)

Weitere Beiträge

• Physik Journal Dossier: Quanteninformation
• Physik Journal Dossier: Nobelpreis
• M. Delbrück, Verschränkung aus dem All, Physik Journal, Oktober 2016, S. 11 PDF
• O. Gühne, Keine Ausreden mehr!, Physik Journal, Februar 2016, S. 19 PDF
• K. Hornberger, Cäsium mag es unrealistisch, Physik Journal, April 2015, S. 24 PDF
• Balzan-Preis für Alain Aspect (Pro-physik.de Nachrichten, 10. September 2013)
• A. Pawlak, Anton Zeilinger auf der Documenta: Physik ist keine Kunst, Physik Journal, Oktober 2012, S. 12 PDF
• Herbert-Walther-Preis (DPG): Preisträgerinnen und Preisträger
• Wolf-Preis für Physik 2010 vergeben (Pro-physik.de Nachrichten, 2. Februar 2010)
• W. Belzig und G. Burkard, Solide Verschränkung, Physik Journal, Januar 2010, S. 19 PDF
• Rezension: A. Zeilinger, Einsteins Spuk – Teleportation und weitere Mysterien der Quantenphysik, C. Bertelsmann, München 2005
• Rezension: A. Zeilinger, Einsteins Schleier – Die neue Welt der Quantenphysik, C.H. Beck, München 2003
• M. Arndt und A. Zeilinger, Wo ist die Grenze der Quantenwelt?, Physikalische Blätter, März 2000, S. 69 PDF
• S. Jorda, Teleportation: Fernübertragung à la Quantenmechanik, Physikalische Blätter 54, 114 (1998) PDF