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Der österreichische Physiker Anton Zeilinger teilte sich den Nobelpreis für Physik 2022 mit dem Franzosen Alain Aspect und dem Amerikaner John Clauser für geniale Experimente zur Quantenverschränkung. Dieser Preis wurde 89 Jahre nach der Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 1933 an einen anderen Österreicher, Erwin Schrödinger, verliehen, der einem der wichtigsten und geheimnisvollsten Quantenphänomene den Namen Quantenverschränkung gab.

Dr. Frances Mautner Markhof, 10. Oktober 2022

Der Nobelpreis für Physik 2022 wurde dem österreichischen Physiker Anton Zeilinger verliehen, der sich den Preis mit dem Franzosen Alain Aspect und dem Amerikaner John Clauser teilt.  Mit der Auszeichnung wurden herausragende Leistungen auf dem Gebiet der experimentellen Quantenphysik und der Quantenverschränkung gewürdigt. Dieser Preis wurde 89 Jahre nach der Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 1933 an einen anderen Österreicher, Erwin Schrödinger, verliehen, der einem der wichtigsten und geheimnisvollsten Quantenphänomene den Namen Quantenverschränkung gab.

Die Experimente von Aspect, Clauser und Zeilinger mit verschränkten Photonen bewiesen, dass die Verbindungen zwischen verschrängte Quantenteilchen nicht auf lokale „verborgene Variablen“ zurückzuführen sind, unbekannte Faktoren, die die beiden Ergebnisse unsichtbar miteinander verbinden. Die Verschränkung ist vielmehr das Ergebnis einer echten Verbindung, bei der sich die Manipulation eines Quantenobjekts auf ein anderes auswirkt, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind.

In den 1960er Jahren schlug der Physiker John Bell einen mathematischen Test vor, der als Bellsche Ungleichung bekannt wurde, um zwischen den beiden Ideen zu unterscheiden: verborgene Variablen vs. eine echte Wirkung, die zwischen den verschränkten Teilchen übertragen wird. Dieser Test besagt, dass experimentelle Ergebnisse, die über einen bestimmten Wert hinaus korreliert zu sein scheinen, nur durch Quantenverschränkung möglich sind und nicht auf bestimmte Arten von verborgenen Variablen zurückzuführen sind. Die Quantenmechanik sagt ein höheres Maß an Korrelation voraus, als es in der klassischen oder Nicht-Quantenphysik möglich wäre. Im Jahr 1972 entwickelten Clauser und seine Kollegen diese Ideen zu einem praktischen Experiment, das die Bell-Ungleichung verletzte und die Theorien der Quantenmechanik stützte.

Im Jahr 1972 entwickelten Clauser und seine Kollegen diese Ideen zu einem praktischen Experiment, das die Bell-Ungleichung verletzte und die Theorien der Quantenmechanik stützte.

Im Jahr 1997 nutzten Zeilinger und seine Kollegen an der Universität Innsbruck das Phänomen der Verschränkung, um die Quantenteleportation nachzuweisen, bei der ein Quantenzustand von einem Ort zum anderen übertragen wird.

Was also ist Quantenverschränkung und warum ist sie so wichtig?

Quantenverschränkung tritt auf, wenn die Messung der Eigenschaft eines Teilchens in einem verschränkten Paar sofort die Ergebnisse der Messungen am anderen Teilchen beeinflusst, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Die Verschränkung ist auch die Grundlage für Quantencomputer, die Berechnungen durchführen können, die auf herkömmlichen Computern unmöglich sind.  Die Quantenverschränkung bildet auch die physikalische Grundlage für ein Quanteninternet und für eine sichere Quantenverschlüsselung oder Quantenkryptografie, die praktisch unknackbar ist.

Albert Einstein bezeichnete die Quantenverschränkung als „spukhafte Fernwirkung“ und lehnte es ab zu akzeptieren, dass Eigenschaften eines Teilchens oder Systems gleichzeitig auf ein anderes in einem verschränkten Paar übertragen werden können.  Er sah darin auch einen Verstoß gegen das Gesetz, dass keine Information schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden kann.  Tatsächlich ist es heute allgemein anerkannt, dass die Verschränkung keine Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit überträgt.

Die jüngsten Experimente zur Quantenverschränkung, die auf den historischen Errungenschaften der drei Nobelpreisträger aufbauen, könnten dazu beitragen, eine der großen offenen Fragen der heutigen Physik zu lösen, nämlich wie sich die Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vereinbaren lässt, was die Schaffung einer Quantentheorie der Gravitation voraussetzen würde.

Serge Haroche, Experimentalphysiker am Collège de France in Paris und Nobelpreisträger für Physik 2012, bezeichnete die Quantenverschränkungsexperimente und die Anwendungen der Quantenverschränkung als „… ein wunderbares Beispiel für die Verbindung zwischen Grundlagenwissenschaft und Anwendung“ und fügte hinzu, dass dies ein weitere „Beweis für den Nutzen von ’nutzlosem‘ Wissen“ sei.

Bild: Wien, Österreich, Juni 2000, Professor Anton Zeilinger in seinem Labor. Er erhielt den Nobelpreis für Physik im Jahr 2022. © IMAGO / Wolfgang Simlinger
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