Tests der Quantenverrücktheit und ihrer potenziellen Anwendungen in der realen Welt wurden mit dem Nobelpreis für Physik 2022 ausgezeichnet.
Auf einer gewissen Ebene unterliegen wir alle Quantenregeln, mit denen selbst Albert Einstein Mühe hatte, sich zurechtzufinden. Diese Regeln spielen sich größtenteils hinter den Kulissen in Transistoren ab, aus denen Computerchips, Laser und sogar in der Chemie von Atomen und Molekülen in Materialien um uns herum bestehen. Anwendungen, die auf den diesjährigen Nobelpreis zurückgehen, nutzen Quantenfunktionen in größeren Maßstäben. Dazu gehören absolut sichere Kommunikations- und Quantencomputer, die möglicherweise Probleme lösen, die kein vorstellbarer herkömmlicher Computer zu Lebzeiten des Universums lösen könnte.
Den diesjährigen Preis teilen sich drei Physiker. Alain Aspect und John Clauser bestätigten, dass die Regeln der Quantenmechanik, so seltsam und schwer zu glauben sie auch sind, wirklich die Welt beherrschen, während Anton Zeilinger das seltsame Quantenverhalten genutzt hat, um rudimentäre Anwendungen zu entwickeln, mit denen keine herkömmliche Technologie mithalten kann. Jeder Preisträger wird ein Drittel des Preisgeldes mit nach Hause nehmen, das sich auf insgesamt 10 Millionen Schwedische Kronen, etwa 915.000 US-Dollar, beläuft.
„Heute ehren wir drei Physiker, deren bahnbrechende Experimente uns gezeigt haben, dass die seltsame Welt der Verschränkung … nicht nur die Mikrowelt der Atome und schon gar nicht die virtuelle Welt der Science-Fiction oder Mystik ist, sondern die reale Welt, in der wir alle leben in“, sagte Thors Hans Hansson, Mitglied des Nobelkomitees für Physik, auf einer Pressekonferenz zur Bekanntgabe der Auszeichnung am 4. Oktober in der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften (SN: 11/5/10).
„Es war auf jeden Fall sehr spannend, etwas über die drei Preisträger zu erfahren“, sagt der Physiker Jerry Chow von IBM Quantum in Yorktown Heights, NY „Aspect, Zeilinger und Clauser – sie alle sind in unserer Quanten-Community und ihrer Arbeit sehr, sehr bekannt ist etwas, das wirklich ein großer Teil der Forschungsbemühungen vieler Menschen über viele Jahre war.“
Aspect von der Université Paris-Saclay und der École Polytechnique in Frankreich und Clauser, der heute ein Unternehmen in Kalifornien betreibt, zeigten, dass es keine geheimen Kommunikationskanäle gibt, die erklären, wie zwei Teilchen als eine Einheit existieren können, obwohl sie sind weit voneinander entfernt (SN: 29.12.14).
Die Experimente von Zeilinger von der Universität Wien, die sich auf dieses Quantenverhalten stützen, umfassen Demonstrationen von Kommunikation, absolut sicherer Verschlüsselung und Komponenten, die für Quantencomputer entscheidend sind. Er leistete Pionierarbeit bei einer anderen, weithin missverstandenen Anwendung – der Quantenteleportation. Anders als bei der Teleportation von Menschen und Objekten in der Science-Fiction geht es um die perfekte Übertragung von Informationen über ein Quantenobjekt von einem Ort zum anderen.
„Ich habe mich schon immer für Quantenmechanik interessiert, seit ich zum ersten Mal davon gelesen habe“, sagte Zeilinger telefonisch bei der Pressekonferenz zur Bekanntgabe der Auszeichnung. „Ich war tatsächlich von einigen der theoretischen Vorhersagen beeindruckt, weil sie nicht den üblichen Intuitionen entsprachen, die man vielleicht hat.“
Die Entdeckung des Quantenverhaltens, das die Welt auf kleinen Skalen beherrscht, wie die Bewegung eines Elektrons um ein Atom, revolutionierte die Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Viele führende Wissenschaftler, darunter vor allem Einstein, räumten ein, dass Quantentheorien funktionieren, argumentierten jedoch, dass sie nicht die wahre Beschreibung der Welt sein könnten, weil sie bestenfalls die Berechnung der Wahrscheinlichkeiten beinhalteten, dass etwas passieren würde (SN: 1/12/22). Für Einstein bedeutete dies, dass es einige verborgene Informationen gab, die durch Experimente zu grob waren, um sie aufzudecken.
Andere glaubten, dass Quantenverhalten, das abfällig als Verrücktheit bezeichnet wird, obwohl es schwer zu verstehen ist, keine geheimen Wege zur Übertragung von Informationen hat. Es war weitgehend eine Frage der Meinung und Debatte, bis der Physiker John Bell in den 1960er Jahren einen Test vorschlug, um zu beweisen, dass es keine versteckten Kommunikationskanäle zwischen Quantenobjekten gibt (SN: 29.12.14). Zu dem Zeitpunkt war nicht klar, dass ein Experiment zur Durchführung des Tests möglich war.
Clauser war der erste, der ein praktisches Experiment entwickelte, um Bells Test zu bestätigen, obwohl es Lücken gab, die sein Experiment nicht überprüfen konnte, die Raum für Zweifel ließen. (Sein Interesse an Wissenschaft entwickelte sich früh. In den Jahren 1959 und 1960 nahm Clauser an der National Science Fair teil, die heute als International Science and Engineering Fair bekannt ist (SN: 23.5.59). Veranstalter der Messe ist die Gesellschaft für Wissenschaft, die herausgibt Wissenschaftsnachrichten.)
Aspect führte die Idee weiter, um jede Möglichkeit auszuschließen, dass die Quantenmechanik einige verborgene Grundlagen der klassischen Physik hatte (SN: 11.1.86). Die Experimente von Clauser und Aspect beinhalteten die Erzeugung von Photonenpaaren, die verschränkt waren, was bedeutet, dass sie im Wesentlichen ein einzelnes Objekt waren. Da sich die Photonen in verschiedene Richtungen bewegten, blieben sie verschränkt. Das heißt, sie existieren weiterhin als einzelnes, erweitertes Objekt. Die Messung der Eigenschaften des einen zeigt sofort die Eigenschaften des anderen, egal wie weit sie voneinander entfernt sein mögen.
Verschränkung ist ein heikler Sachverhalt und schwer aufrechtzuerhalten, aber die Ergebnisse der Experimente von Clauser und Aspect zeigen, dass Quanteneffekte nicht mit irgendwelchen versteckten Variablen erklärt werden können, die Anzeichen für eine nicht-quantenmechanische Untermauerung wären.
Für Chow hat diese Forschung eine zweifache Bedeutung. „Es gibt wirklich ein Element, um zu zeigen, dass die Quantenmechanik aus philosophischer Sicht real ist“, sagt er. „Aber vom praktischeren Standpunkt aus … gibt diese gleiche schöne Theorie der Quantenmechanik einen anderen Satz von Regeln an, nach denen Informationen verarbeitet werden.“ Das wiederum eröffnet neue Wege für Technologien der nächsten Generation wie Quantencomputer und Kommunikation (SN: 3.12.20).
Zeilingers Experimente nutzen die Verschränkung, um Leistungen zu erzielen, die ohne die von Clauser und Aspect bestätigten Effekte nicht möglich wären. Er hat die Experimente aus dem Labor auf interkontinentale Entfernungen ausgedehnt und damit die Möglichkeit eröffnet, dass Verschränkung praktisch genutzt werden kann (SN: 31.05.12). Da die Interaktion mit einem von zwei verschränkten Partikeln das andere beeinflusst, können sie zu Schlüsselkomponenten für sichere Kommunikation und Verschlüsselung werden. Ein Außenstehender, der versucht, ein Quantenkommuniqué abzuhören, würde sofort aufgedeckt, weil er die Verstrickung durchbrechen würde, während er schnüffelt.
Quantencomputer, die auf verschränkten Teilchen beruhen, sind ebenfalls Gegenstand aktiver Forschung geworden. Anstelle der Einsen und Nullen herkömmlicher Computer kodieren Quantencomputer Informationen und führen Berechnungen durch, die Mischungen aus Eins und Null sind. Theoretisch können sie einige Berechnungen durchführen, mit denen kein digitaler Computer jemals fertig werden könnte. Zeilingers Quantenteleportationsexperimente bieten einen Weg, um die Informationen zu übertragen, auf die solche Quantencomputer angewiesen sind (SN: 17.01.98).
“Dies [award] ist eine sehr schöne und positive Überraschung für mich“, sagt Nicolas Gisin, Physiker an der Universität Genf in der Schweiz. „Dieser Preis ist sehr verdient, kommt aber etwas spät. Die meisten dieser Arbeiten wurden in der durchgeführt [1970s and 1980s]aber das Nobelkomitee war sehr langsam und eilt jetzt dem Boom der Quantentechnologien hinterher.“
Dieser Boom findet weltweit statt, sagt Gisin. „In den USA, in Europa und in China werden Milliarden – buchstäblich Milliarden von Dollar in diesen Bereich gesteckt. Es ändert sich also komplett“, sagt er. „Anstatt ein paar Einzelpersonen zu haben, die auf diesem Gebiet Pionierarbeit leisten, haben wir jetzt wirklich riesige Scharen von Physikern und Ingenieuren, die zusammenarbeiten.“
Obwohl einige der esoterischsten Quantenanwendungen noch in den Kinderschuhen stecken, bringen die Experimente von Clauser, Aspect und Zeilinger die Quantenmechanik und ihre seltsamen Implikationen in die makroskopische Welt. Ihre Beiträge bestätigen einige der wichtigsten, einst umstrittenen Ideen der Quantenmechanik und versprechen neuartige Anwendungen, die eines Tages im täglichen Leben alltäglich sein könnten, auf eine Weise, die selbst Einstein nicht leugnen konnte.
Maria Temming hat die Berichterstattung zu dieser Geschichte beigetragen.