Nobelpreis für Physik 2022: Nachweis und Nutzung der spezifischen Quantennatur

Die drei diesjährigen Physik-Nobelpreisträger John Clauser, Alain Aspect und Anton Zeilinger verbindet nicht nur die Tatsache, dass sie alle mindestens siebzig Jahre alt sind und sich bereits 2010 den Wolf-Preis teilten, sondern auch ihr Interesse an einem Aufsatz des nordirischen Physikers John Bell aus dem Jahr 1964, der in einer obskuren Physikzeitschrift erschien. Darin schlug Bell ein Gedankenexperiment vor, das eine Debatte beenden sollte, die seit der Geburt der Quantenmechanik zwischen Albert Einstein, Niels Bohr und Erwin Schrödinger tobte: die Frage, ob die Quantentheorie die Realität unzureichend beschreibe.

Bell konzentrierte sich auf die Verschränkung, ein grundlegendes, aber kontraintuitives Konzept in der Quantenmechanik, bei dem zwei weit voneinander entfernte Teilchen Informationen auszutauschen scheinen, obwohl es keine Möglichkeit zur Kommunikation gibt. Er leitete eine mathematische Bedingung ab (die später als Bell-Ungleichung bezeichnet und zu einer Gruppe verwandter Bedingungen, den Bell-Ungleichungen, erweitert wurde), die besagt, dass die Korrelation zwischen Teilcheneigenschaften bei wiederholten Experimenten mit zwei getrennten Teilchen niemals einen bestimmten Wert überschreiten darf.

Eine Erfüllung der Ungleichung bewies Einsteins Position eines klassischen Aufbaus des Universums mit „lokalen verborgenen Variablen“. Wurde die Ungleichung dagegen verletzt und war die Korrelation stärker – wie von der Quantentheorie vorhergesagt – so sind die Unsicherheiten in den Vorhersagen der Quantentheorie nicht auf Unwissenheit oder Unkenntnis dieser Eigenschaften zurückzuführen: Das Universum ist grundsätzlich probabilistisch und quantenmechanisch, wie Bohr behauptete.

Die Grenzen der Quantenmechanik ausloten

Mit Bells Ideen änderte sich die Debatte über die Lücken der Quantenmechanik dramatisch. Es wurde endlich möglich, die Fragen experimentell zu klären. In den späten 1960er Jahren machte sich Clauser daran, das Bellsche Theorem zu verfeinern, um es mit realen Daten zu überprüfen. Anfänglich wurde Clauser von Wissenschaftler*innen wie Richard Feynman (Nobelpreis für Physik 1965) davon abgehalten, seine Arbeit fortzusetzen, da Feynman der Meinung war, dass die Quantenmechanik keine weiteren experimentellen Beweise benötige. Doch Bell und Charles Townes (Nobelpreis für Physik 1964) unterstützten Clauser, der zusammen mit dem inzwischen verstorbenen Stuart Freedman von der University of California, Berkeley, einen „Bell-Test“ durchführte, ein reales Experiment zu einer der Bell-Ungleichungen.

Sie verwendeten Kalziumatome, die jeweils zwei verschränkte Photonen in Richtung eines Filters aussendeten, der ihre Polarisation prüfte. Im Jahr 1972 zeigten die Ergebnisse ihres Experiments eine klare Verletzung der Bell-Ungleichung und stimmten mit den Vorhersagen der Quantenmechanik überein. „Ich war sehr traurig, als ich sah, dass mein eigenes Experiment Einstein widerlegt hatte“, sagte Clauser 2022 in einem Interview mit dem California Institute of Technology.

Es gab jedoch mehrere „Schlupflöcher“ in diesem Experiment, die die Möglichkeit offen ließen, dass die Theorien der verborgenen Variablen dennoch korrekt sein könnten. So wurde argumentiert, dass die beobachteten Photonen vielleicht keine angemessene Stichprobe aller von der Quelle ausgesandten Photonen waren (die Detektionslücke) oder dass Elemente des Experiments, die als unabhängig galten, irgendwie kausal verbunden waren (die Ortslücke).

Aspect und seine Kolleg*innen von der Université Paris-Sud in Orsay, Frankreich, entwickelten ein Experiment, das beide Lücken füllen konnte. Durch den Einsatz verbesserter Techniken und neuartiger Instrumente regte das Team von Aspect die Atome an, verschränkte Photonen mit höherer Rate auszusenden. Außerdem konnten sie zwischen verschiedenen Einstellungen wechseln, sodass das System keine Vorabinformationen enthielt, die die Ergebnisse beeinflussen konnten. Mit diesem Aufbau gelang es Aspect, Verletzungen einer Bell-Ungleichung mit sehr hoher Präzision nachzuweisen. Doch der Abstand zwischen den verschränkten Photonen betrug nur 12 Meter; auch aus verschiedenen anderen technischen Gründen waren die Experimente von Aspect nicht ideal – die Lücke der Lokalität lauerte immer noch im Hintergrund.

Zeilinger und seinen Kolleg*innen an der Universität Innsbruck gelang es 1998, dieses Schlupfloch zu stopfen. Neben einer Reihe von Verbesserungen gegenüber den Experimenten von Clauser und Aspect verwendeten die Forscher*innen zwei völlig unabhängige Quantenzufallszahlengeneratoren, um die Richtungen der Photonenmessungen festzulegen, die im Abstand von 400 m auf dem Wissenschaftscampus der Universität Innsbruck durchgeführt wurden. Auf diese Weise konnten sie zum ersten Mal die Bedingung der Lokalität vollständig einhalten. Es überrascht nicht, dass die Forscher eine starke Verletzung der Bellschen Ungleichung beobachteten. Seitdem hat Zeilinger mehrere lückenlose Tests durchgeführt, einer raffinierter als der andere, und die Theorien über verborgene Variablen in den Wind geschlagen.

Jenseits verschränkter Paare

Neben der Verbesserung der Bell-Tests von Clauser und Aspect war Zeilinger einer der ersten Forscher, der erkannte, dass die Verschränkung als Quantenressource für die Durchführung immer komplexerer quantenphysikalischer Experimente und die Entwicklung praktischer Anwendungen in der Quanteninformatik genutzt werden kann.

Seine Gruppe und ein weiteres Team unter der Leitung von Francesco De Martini waren 1997 die ersten, die Quantenteleportation nachwiesen. Bei der Quantenteleportation wird die Verschränkung genutzt, um von einem Objekt getragene Informationen an einen anderen Ort zu übertragen, wo das Objekt wiederhergestellt wird. In dem Experiment übertrug Zeilingers Gruppe die Polarisationsrichtung eines Teilchens auf ein anderes, ohne jemals die transportierte Polarisationsrichtung zu kennen.

Nur ein Jahr später wiesen Zeilinger und Kolleg*innen einen weiteren nützlichen Quantenprozess nach: den Verschränkungstausch. In dem Experiment tauschten die Forscher die Verschränkung zwischen Photonen aus, die noch nie miteinander in Kontakt waren. Im Jahr 1999 knüpfte Zeilinger an seine Arbeit an, die er zusammen mit Daniel Greenberger und Michael Horne ein Jahrzehnt zuvor durchgeführt hatte Sie hatten gezeigt, dass verschränkte Zustände mit mehreren Teilchen theoretisch möglich sind, indem man im Labor einen verschränkten Zustand mit drei Photonen erzeugt.

In jüngster Zeit gehörte Zeilinger zu den führenden Forscher*innen im Bereich der Quantenkommunikation und -kryptographie. Im Jahr 2006 verwendete seine Gruppe ein auf Verschränkung basierendes Quantenschlüsselverteilungsprotokoll (QKD) und eine optische Freiraumverbindung an, um einen sicheren Schlüssel (eine geheime Nachricht, die bei Abhörversuchen zerstört wird) zwischen den beiden 144 km voneinander entfernten Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa zu erstellen. 2017 arbeitete er mit seinem ehemaligen Studenten Jian-Wei Pan zusammen, um mit Hilfe des chinesischen Quantenkommunikationssatelliten Micius einen QKD-Schlüssel zwischen Peking und Wien, die 7.400 km voneinander entfernt sind, auszutauschen.

Die bahnbrechenden Experimente von Clauser, Aspect und Zeilinger zur Verschränkung haben die Tür zu neuen, auf Quanteninformation basierenden Technologien geöffnet. Anwendungen wie Quantencomputer, Quantennetze und sichere quantenverschlüsselte Kommunikation sind nun in greifbarer Nähe. Vor allem aber haben sie endgültig gezeigt, dass die Realität quantenmechanisch ist. Es mag schwer zu begreifen sein, wie unser scheinbar geordnetes Universum von der Zufälligkeit einzelner Quantenereignisse bestimmt wird, aber das Wissen darum bringt uns auf einen Weg, auf dem wir ein tieferes Verständnis für die Grundlagen der Realität erlangen können.