Forscher der Quantenverschränkung gewinnen den Nobelpreis für Physik 2022

Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger gewannen 2022 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit, bei der sie verschränkte Photonen zur Prüfung der Quantengrundlagen der Realität verwendeten

Der diesjährige Nobelpreis für Physik ging zu gleichen Teilen an Alain Aspect von der Universität Paris-Saclay, John F. Clauser von JF Clauser & Associates und Anton Zeilinger von der Universität Wien für ihre bahnbrechenden Arbeiten in der Quantenmechanik und Quantenphysik Informationswissenschaft.

Jeder der drei Forscher arbeitete unabhängig voneinander an neuen Experimenten, die die Quantenverschränkung demonstrierten und untersuchten, das merkwürdige Phänomen, bei dem zwei oder mehr Teilchen in einem sogenannten verschränkten Zustand existieren. In dieser bizarren Situation kann sich eine Aktion, die auf eines der Teilchen ausgeübt wird, augenblicklich auf die gesamte verschlungene Ansammlung auswirken und das Verhalten der anderen Teilchen vorhersagen, selbst wenn diese weit voneinander entfernt sind. Wenn ein Beobachter den Zustand eines solchen Teilchens bestimmt, spiegeln seine verschränkten Gegenstücke diesen Zustand sofort wider – unabhängig davon, ob sie sich im selben Raum wie der Beobachter oder in einer Galaxie auf der gegenüberliegenden Seite des Universums befinden. Obwohl dieses Phänomen zu einem wesentlichen Aspekt moderner Quantentechnologien geworden ist, ist es so kontraintuitiv und scheinbar unmöglich, dass Albert Einstein es einmal als „gruselige Aktion aus der Ferne“ verspottete.

Die Arbeit der Wissenschaftler hat sich gemeinsam mit Kernrätseln befasst, die in den 1960er Jahren vom nordirischen Physiker John Stewart Bell eingehend untersucht wurden, um zu verstehen, was die „Gruseligkeit“ der Verschränkung über die grundlegende Natur der Realität bedeutet. Könnte es, wie Einstein glaubte, sein, dass alle Objekte – ob Planeten oder Teilchen – grundlegende Eigenschaften besitzen, die durch genaue Beobachtung erkannt werden können? Wenn ja, wäre die Quantenverrücktheit nur eine Illusion, die aus dem Versagen der Quantenmechanik resultiert, die noch unentdeckten „verborgenen Variablen“ zu berücksichtigen, die den Teilchen innewohnen, die die subatomare Welt bevölkern. Durch die Vorbestimmung der Zustände weit voneinander entfernter verschränkter Teilchen vor der Messung dieser Teilchen würden versteckte Variablen gut erklären, wie sie es schafften, den Zustand des anderen widerzuspiegeln, ohne dass Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zwischen ihnen übertragen würden – ein schwerwiegender Verstoß gegen einen der grundlegendsten Grundsätze der Physik. Einsteins Idee widersprach einer von Niels Bohr, Erwin Schrödinger und anderen Physikern bevorzugten Alternative, die die Vorstellung solcher verborgenen Variablen ablehnten. Sie sagten, die Realität sei von Natur aus unscharf und Partikel würden bei der Messung nur bestimmte spezifische Eigenschaften erlangen.

Als Erweiterung eines Konzepts, das etwa drei Jahrzehnte zuvor von Einstein und seinen Physikerkollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen vorgeschlagen worden war, zeigte Bell 1964, dass, wenn versteckte Variablen existierten, ihre Anwesenheit experimentell durch sorgfältige Messungen mehrerer Paare verschränkter Teilchen abgeleitet werden konnte. Wenn beispielsweise die Spins solcher Teilchen entlang einer variierenden Richtungsachse gemessen werden (d. h. nicht nur „oben“ oder „unten“, sondern auch in verschiedenen Zuständen dazwischen), sollten bestimmte Korrelationen zwischen den kollektiven gepaarten Spins viel stärker sein, wenn dies der Fall wäre werden ausschließlich durch die Quantenmechanik bestimmt und sind entsprechend schwächer, wenn sie durch verborgene Variablen beeinflusst werden. Die Durchführung dieses Experiments könnte somit bestätigen, dass die Realität im Kern rein quantenmechanisch ist, oder stattdessen das Vorhandensein tieferer, grundlegenderer Schichten physikalischer Komplexität offenbaren. Solche „Bell-Tests“ enthielten jedoch zahlreiche potenzielle Lücken, die ihre Ergebnisse verfälschen könnten. Und über Jahrzehnte hinweg haben Legionen von Forschern eifrig daran gearbeitet, sie zu schließen.

1969 konzipierte Clauser als erster einen praktischen Bell-Test, bei dem die Quantenverschränkung gemessen wurde, indem die Polarisation verschränkter Photonenpaare bestimmt wurde, die in entgegengesetzte Richtungen abgefeuert wurden. Anschließend führte er das Experiment 1972 zusammen mit dem verstorbenen Stuart Freedman durch, der damals Doktorand war, und bestätigte, dass die Photonen trotz ihrer physikalischen Trennung gemeinsam agierten. Clausers Arbeit zeigte, dass versteckte Variablen die Auswirkungen der Verschränkung nicht erklären konnten, was darauf hindeutet, dass die Quantentheorie als im Wesentlichen vollständige Beschreibung der Realität intakt blieb.

Doch die Lücken blieben bestehen. Und etwa zehn Jahre später, nachdem sie Clausers Experiment verfeinert hatten, schlossen Aspect und seine Mitarbeiter eines davon ab, indem sie eine Möglichkeit entwickelten, die Richtung verschränkter Photonenpaare in Milliardstelsekunden zu ändern – nachdem die Photonen ihre Quelle verlassen hatten, aber bevor sie bei a ankamen Detektor. Dadurch wurde sichergestellt, dass die Messeinstellungen, die zum Zeitpunkt der Emission der Photonen vorhanden waren, das Endergebnis nicht beeinflussen konnten, was die Annahme, dass es keine versteckten Variablen gibt, erheblich untermauert. Was auch immer bei der Messung verschränkter Teilchen grundsätzlich geschieht (immer noch ein Thema heftiger Debatten unter Wissenschaftlern), die Arbeit von Aspect hat gezeigt, dass dies innerhalb der Grenzen der bestehenden Quantentheorie geschieht. Die letzte große Lücke für Bell-Tests wurde 2015 durch die Arbeit von vier verschiedenen Forschungsgruppen geschlossen.

Zeilinger und seine Kollegen haben die Nutzung und Untersuchung verschränkter Quantenzustände erheblich erweitert. 1997 waren sie eine von zwei Forschungsgruppen, die unabhängig voneinander ein Phänomen namens Quantenteleportation demonstrierten, bei dem Quantenzustände mithilfe der Verschränkung über beliebige Entfernungen von einem Teilchen zum anderen bewegt werden können. (Das andere Team wurde vom italienischen Physiker Francesco De Martini geleitet.) Zeilingers Gruppe erzielte mehrere weitere „Neuheiten“ in der Quanteninformationswissenschaft. Heute ist die Quantenteleportation von zentraler Bedeutung für die aufkeimenden Bemühungen, ein weltumspannendes „Quanteninternet“ aufzubauen. Und Zeilinger arbeitete an Arbeiten mit, bei denen die Technik erfolgreich zur Entwicklung der chinesischen Raumsonde Micius, des ersten Quantenkommunikationssatelliten, eingesetzt wurde.

Während der Bekanntgabe des Preises sagte Eva Olsson, Mitglied des Nobelkomitees für Physik, dass die Arbeit von Aspect, Clauser und Zeilinger „Türen zu einer anderen Welt geöffnet und auch die Grundlagen unserer Interpretation von Messungen erschüttert hat“.

Gemeinsam hat die Forschung des Trios einen großen Beitrag zur Quanteninformationswissenschaft geleistet, dem wissenschaftlichen Bereich, der dem anhaltenden Wettlauf um die Entwicklung praktischer Geräte und Techniken zugrunde liegt, die Quantenprinzipien nutzen, um Durchbrüche in den Bereichen Computer, Kommunikation und Kryptographie zu erzielen.

„Die Arbeit von Aspect, Clauser und Zeilinger liefert die praktische theoretische Methode und schlüssige experimentelle Messungen, die den Unterschied zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt unterstreichen und zeigen, dass Quantenobjekte durch Verschränkung auf eine Weise in Beziehung gesetzt werden können, die mit klassischen Objekten nicht möglich ist.“ sagt Andrew Cleland, Quantenphysiker an der University of Chicago. „Ihre Arbeit bildet die grundlegende Grundlage für Quantenberechnung und Quantenkommunikation.“

John Preskill, ein führender Quanteninformatiker am California Institute of Technology, stellt fest, dass viele ausgereifte Technologien in gewissem Sinne bereits „quantenmäßig“ sind: Laser, Magnetresonanztomographiegeräte und Computerchips mit mehreren Milliarden Transistoren basieren alle auf der Quantenmechanik, die sich auf subatomaren Skalen entfaltet . „Aber diese Technologien“, sagt er, „haben nur an der Oberfläche gekratzt, wie die Quantentheorie unsere Sicht auf das, was im Universum möglich ist, verändert hat.“

Und Preskill fügt hinzu: „Die aufkeimenden Investitionen in Quantentechnologien, die derzeit auf der ganzen Welt getätigt werden, bauen auf wissenschaftlichen Grundlagen auf, die aus der Pionierarbeit von Bell, Clauser, Aspect und Zeilinger resultieren.“

In einer Pressekonferenz kurz nach der Bekanntgabe zeigte sich Zeilinger schockiert über die Verleihung des Preises und würdigte den Einfluss des verstorbenen Helmut Rauch, der sein akademischer Berater gewesen war, sowie der „mehr als 100 jungen Menschen, die im Laufe des Jahres mit mir zusammengearbeitet haben“. Jahre und haben das alles möglich gemacht.“ Trotz der unzähligen aufkommenden Anwendungen der Quantenverschränkung sagte Zeilinger, dass das, was ihn am meisten inspiriert, nach wie vor das Geheimnis ist, das sie immer noch über die Natur der Realität aufwirft. „Einige der grundlegenden Fragen – die Frage ‚Was bedeutet das wirklich?‘ – sind in meinen Augen im Grunde immer noch unbeantwortet“, sagte er. „Und das ist ein Weg für neue Forschung.“

Lee Billings ist leitender Redakteur für Raumfahrt und Physik bei Scientific American. Bildnachweis: Nick Higgins

Lauren J. Young

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Rina Diane Caballar