Pioniere im Quantenkosmos

Auch Albert Einstein weigerte sich, die Widersprüche der Quantentheorie zur klassischen Physik zu akzeptieren. Das aus den Gleichungen der Quantenmechanik ableitbare Phänomen der Verschränkung nannte er etwas geringschätzig „spukhafte Fernwirkung“. Einstein war überzeugt, sie sei ein Beleg dafür, dass die Quantenmechanik Lücken besitzen müsse und die Realität nicht vollständig beschreibe. Einstein selbst war auf die verblüffende Quanteneigenschaft gestoßen. Um sie zu verdeutlichen, ersann er gemeinsam mit zwei anderen Physikern, Boris Podolsky und Nathan Rosen, einen Vorschlag für ein Experiment, den die drei Wissenschaftler 1935 publizierten. Er wurde bekannt als Einstein-Podolsky-Rosen- oder kurz EPR-Paradoxon. Das Physiker-Trio wollte damit belegen, dass die Quantenmechanik gegen fundamentale Annahmen der klassischen Physik verstößt und daher nicht mit ihr vereinbar ist. In einer erweiterten Form der Quantentheorie, waren die Wissenschaftler überzeugt, wäre deren nichtlokale Eigenschaft nicht mehr enthalten.

Die Wirkung verborgener Variablen

Die sonderbar erscheinenden Ergebnisse bei der Messung quantenmechanischer Zustände, so die Vermutung der Zweifler, kämen durch die Wirkung „verborgener Variablen“ zustande. Diese seien für denjenigen, der ein Experiment ausführt, nicht erkennbar – doch sie würden den Verlauf des Experiments auf eine nachvollziehbare Weise beeinflussen. So ließen sich Resultate wie sie bei Messungen an verschränkten Teilchen auftreten, im Prinzip doch mit klassischen Gesetzmäßigkeiten erklären. Eine spukhafte Fernwirkung gäbe es hingegen nicht.

Lange Zeit war es unmöglich zu überprüfen, ob es die von Einstein, Podolsky und Rosen postulierten verborgenen Parameter tatsächlich gibt – oder ob die Quantenmechanik die Welt des Mikrokosmos doch korrekt beschreibt. Das EPR-Paradoxon blieb zunächst ein theoretisches Konstrukt. Das änderte sich erst ungefähr 30 Jahre später, als es dem irischen Theoretiker John Stewart Bell 1964 gelang, die Überlegungen in eine mathematische Formel zu gießen. Sie wurde später nach ihrem Entdecker Bellsche Ungleichung genannt. Das Besondere daran: Mit der Bellschen Ungleichung lässt sich beurteilen, wie stark die Resultate einer Messung an verschränkten Teilchen im Rahmen der klassischen Physik miteinander korrelieren – inwiefern sie also zu deren Prinzipien der Lokalität und des Realismus passen. Das bietet letztlich die Möglichkeit zu testen, ob sich Quantenteilchen nach den Regeln der Quantentheorie verhalten oder doch durch versteckte, klassische Variablen gelenkt werden.

Die Konsequenz von Bells trickreichem mathematischen Konstrukt: Es machte die grundlegenden Fragen zum Wesen der Quantenphysik experimentell zugänglich und von klassischen Effekten unterscheidbar. Doch erneut vergingen einige Jahre, bis dafür praktikable Experimente ersonnen und realisiert wurden.

Verräterische Polarisation

Den Anfang machte 1974 John Clauser an der University of California in Berkeley. Dem Physiker gelang ein Laborversuch, der erstmals klar auf eine Verletzung der Bellschen Ungleichung hindeutete – und damit auf die Richtigkeit der Quantenmechanik. Clauser untersuchte dazu die Polarisation verschränkter Paare von Photonen. Der kalifornische Wissenschaftler kam zu dem Ergebnis: Die Polarisation der beiden Lichtteilchen hatte dieselbe Orientierung. Clauser und sein Team bestimmten außerdem, in welcher Richtung jedes der verschränkten Lichtpartikel schwang. Dazu variierten die Forscher den Winkel zwischen optischen Filtern, die zum Messen der Polarisation dienten. Auf diese Weise stellte sich heraus: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon durch den Filter hindurchging, hing von der Messung am anderen Photon ab. Das bedeutete: Bei dem Experiment war die Quantenmechanik am Werk – und kein verborgener Parameter.

Allerdings ließ sich nicht mit Sicherheit ausschließen, dass es nicht irgendwelche Schlupflöcher gab, die doch ein Verhalten der Lichtteilchen nach der klassischen Vorstellung ermöglichten – zum Beispiel der Einfluss einer gemeinsamen Quelle der untersuchten Teilchen, die vor dem Experiments auf beide Teilchen eingewirkt hat. Dieser Ungewissheit setzte der französische Physiker Alain Aspect durch seine Versuche an der Universität Paris-Saclay ein Ende. Aspect und sein Team entwickelten die experimentelle Methode von Clauser weiter und konnten 1982 die von Albert Einstein und anderen vermuteten verborgenen Parameter vollends ausschließen.

Immer empfindlichere Versuche

Danach ging die Entwicklung weiter, und die Experimente wurden immer weiter verfeinert – unter anderem durch den österreichischen Physiker Anton Zeilinger und seine Teams an den Universitäten Innsbruck und Wien. Zeilinger spannte auch den Bogen zu Anwendungen von Quanteneigenschaften wie der Verschränkung – unter anderem mit der ersten erfolgreichen Quantenteleportation: Den Wissenschaftlern in Österreich gelang es, einen Quantenzustand über eine Distanz von mehreren Metern zu übertragen – mit durch Laserlicht verschränkten Photonen.

Ein ähnliches Experiment gelang fast zeitgleich auch einem Team um den britischen Physiker Sandu Popescu an der University of Bristol. In Anspielung an die TV-Serie „Raumschiff Enterprise“, wo Gegenstände und sogar Menschen quasi aufeglöst werden und zugleich an einem anderen Ort wieder auftauchen, wird die Methode mitunter auch als „Beamen“ bezeichnet.

Das erfolgreiche Experiment in Wien gilt als eine Pionierleistung für die Entwicklung von Quantentechnologien der nächsten Generation. Inzwischen wurde es von mehreren Forschergruppen weltweit wiederholt, mit unterschiedlichen Bedingungen. So gelingt die Quantenteleportation inzwischen auch durch Glasfaserkabel. Zudem setzten Wissenschaftler an der Universität Innsbruck und am National Institute of Standards and Technology (NIST) der USA in Boulder, Colorado, 2004 die Methode mit Ionen statt Photonen um. Im selben Jahr teleportierten Anton Zeilinger und seine Arbeitsgruppe in Wien erstmals einen Quantenzustand außerhalb des Labors: in einem Abwasserkanal unter der Donau.

Der Lohn für die Erfolge

Im Herbst 2022 erhielten John Clauser, Alain Aspect und Anton Zeilinger für ihre experimentellen Arbeiten zur Quantenmechanik gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Dabei hob das Nobelpreiskomitee in Stockholm hervor, dass diese nicht nur den Weg dafür bereitet hätten, die Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik zu überprüfen und zu bestätigen. Überdies haben die Arbeiten der drei Preisträger auch das Fundament gelegt für die Entwicklung neuer Technologien, die auf einer Herstellung und kontrollierten Manipulation von Quantenzuständen beruhen. Sie ermöglichen nun Anwendungen wie Quantencomputer, Quantensensoren, die Quantenkommunikation und vielleicht auch einmal ein Quanteninternet.