Verschränkung ist eine der Schlüsseleigenschaften der Quantentheorie. In einem verschränkten System bestimmt ein Teilchen den Zustand eines anderen, unabhängig davon, wie weit die einzelnen Teilchen voneinander entfernt sind.
Das Phänomen wird auch spukhafte Fernwirkung genannt. Einstein wollte an diesen Effekt nicht glauben, die Experimente der Laureaten haben diese Zustände messbar und manipulierbar gemacht. Damit haben die drei Physiker den Weg zur technischen Anwendung der Quantentheorie geebnet. Dazu gehören zum Beispiel Quanten-Computer und Quanten-Kommunikation.
Was haben Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger erforscht?
Die Verschränkung ist das vielleicht merkwürdigste Phänomen der Quantenphysik. Zwei verschränkte Teilchen bleiben miteinander in Verbindung, auch wenn sie Kilometer weit weg sind. Verändert das eine seine seinen Zustand tut das andere es auch. Ein bisschen wie Gedankenübertragung unter Photonen.
Postuliert wurde das Phänomen von Albert Einstein gemeinsam mit Boris Podolsky und Nathan Rosen. Die drei selber hielten das Phänomen nicht für möglich. Sie hatten lediglich ihrem Kollegen Nils Bohr illustrieren wollen, wie verrückt die Quantentheorie sei. Sie waren der Überzeugung es müsste versteckte Variablen geben, durch die die Verbindung zwischen den Teilchen erklärbar wäre. Vertreter der Quantenmechanik hielten die Verschränkung aber durchaus für ein mögliches Phänomen.
Um zu klären, wer Recht hat, formulierte der irische Physiker John Steward Bell in den 1960er-Jahren eine mathematische Ungleichung, die ein Kriterium aufstellte anhand dessen entschieden werden konnte, wer recht hat – Einstein oder die von ihm mitbegründete Quantentheorie.
John Clauser entwickelte die Ideen von John Bell zu einem praktischen Experiment weiter. Seine Messungen stützten die Vorhersagen der Quantentheorie. Damit war bewiesen, Verschränkung oder die „spukhafte Fernwirkung“ wie sie von Einstein etwas ironisch getauft wurde, konnte nicht durch versteckte Variablen verursacht werden.
Das Experiment von John Clauser ließ aber einen Aspekt unberücksichtigt: Die verbundenen Paare könnten abhängig von einer gemeinsamen Quelle sein. Alain Aspect veränderte den experimentellen Aufbau weiter und verbesserte ihn so, dass die Teilchenquelle die Messergebnisse nicht beeinflussen konnte.
Anton Zeilinger schließlich nutzte die Arbeit seiner Kollegen, um die Zustände verschränkter Teilchen zu manipulieren. Seine Arbeitsgruppe wies als erste das Phänomen der Quantenteleportation nach, das es ermöglicht, den Quantenzustand eines Teilchens auf ein anderes zu übertragen. Damit schuf er einen Ansatz, Quantenmechanik nutzbar zu machen.
Welche technischen Entwicklungen macht die Forschung möglich?
Anton Zeilinger demonstrierte 2004 die erste quanten-kryptographisch verschlüsselte Banküberweisung. Nur eine von vielen Möglichkeiten, für die Quantenmechanik genutzt werden kann. Aber nicht nur die Entwicklung von Quantencomputern, die sehr schnell sehr viele Daten verarbeiten könnten, schreitet voran. Auch an einem abhörsicheren Quanten-Internet wird gearbeitet.
Nicht ohne Grund unterstützt die Europäische Kommission seit 2018 die Erforschung von Quantentechnlogie mit einer Milliarde Euro in einem Flaggschiff-Projekt.
Tomasso Calarco, Mitinitiator des Quantum-Flaggschiffs und Professor am Forschungszentrum Jülich, betont im Interview mit dem Deutschlandfunk das Innovationspotential, das durch die Erkenntnisse der drei Laureaten entstanden sei. So habe Alain Aspect selber eine Firma gegründet, um in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich die Grundbausteine einer europäischen Infrastruktur für Quantencomputing zu bilden.
Vor den Experimenten der drei Laureaten sei die Arbeit an den Grundlagen der Quantentechnologie dagegen als "grenzwertig philosophisch" angesehen worden, meint Tomasso Calarco.
Wer sind Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger?
Alain Apect wurde 1947 in Südfrankreich geboren. Seine Eltern waren beide Lehrer und so wuchs er quasi in der Schule auf. Für sein Physikstudium zog er nach Paris, wo er mehr oder weniger seine gesamte wissenschaftliche Laufbahn verbrachte.
Sein gutes Händchen für schwierige Experimente zeigte sich schon während der Doktorarbeit. Neben dem Einstein-Rosen-Podolsky-Paradoxon hat er auch viele andere etablierte Theorien auf die experimentelle Probe gestellt.
Für seine Arbeit hat Alain Aspect zahlreiche Auszeichnungen und Ehrungen erhalten der Nobelpreis ist davon sicher die bekannteste. Die vielleicht ungewöhnlichste ist, dass ein Asteroid nach ihm benannt wurde.
John Francis Clauser wurde 1942 in Kalifornien geboren. Er studierte Physik am Caltec in Pasadena und später an der Columbia University.
Wissenschaftler wollte er schon als Kind werden. Sein Vater war Professor für Flugzeugbau. In seinem Labor verbrachte John Clauser nach der Schule viel Zeit. „Ich dachte – wow was haben die hier für tolles Spielzeug“, erinnerte er sich in einem Interview mit dem American Institute of Physics.
Eher selten unter den Nobelpreisträgern hat John Clauser nie eine Professur innegehabt. Möglicherweise eine Folge seines Interesses für Quantenmechanik, denn die hätten viele Kollegen nicht ernst genommen, meint er im offiziellen Telefoninterview der Nobelstiftung nach der Bekanntgabe der Preisträger.
Anton Zeilinger wurde 1945 in Österreich geboren. Nach Forschungsaufenthalten unter anderem in den USA, Australien und Deutschland, wurde er 1990 als Professor an die Uni Innsbruck berufen und wechselte 1999 nach Wien.
Schon immer war es ihm wichtig, seine Forschung und deren Ergebnisse nicht nur mit anderen Wissenschaftlern zu teilen, sondern auch der breiten Öffentlichkeit nahe zu bringen.
Die Demonstrationen, die er sich dafür ausdachte, waren nicht selten denkwürdig: Ob bei der Teleportation von Teilchen unter der Donau, dem ersten quantenphysikalisch gesicherte Videotelefonat oder den Schau-Experimente seiner Arbeitsgruppe bei der berühmten Kunstausstellung documenta 13 in Kassel, sein Ziel war es immer die Grundlagenforschung zu erklären.
In einer von der Universität Wien organisierten Pressekonferenz dankte er nach der Verkündigung zur Nobelpreisverleihung seiner Familie, seinen Kolleginnen und Studenten und den Steuerzahlern – sie hätten es ihm erlaubt zu forschen, was in interessiert ohne Rücksicht darauf zu nehmen, welchen Nutzen es haben könnte.
Dass für ihn selber das Interesse und die Neugier bei der Wissenschaft im Vordergrund steht, ändert nichts daran, dass seine Forschung maßgeblich dazu beigetragen hat Quantenmechanik tatsächlich nutzbar zu machen.
Der Nobelpreis ist nicht der erste Preis, den Anton Zeilinger, Alain Aspect und John Clauser sich teilen: 2010 erhielt das Trio bereits den Wolf-Preis in Physik.
Wer waren die Preisträger 2021?
Auch im letzten Jahr durften sich gleich drei Wissenschaftler den Nobelpreis für Physik teilen: die Klimaforscher Klaus Hasselmann und Syukuro Manabe wurden für ihre Klima-Modellierungen und Vorhersagen zur Erderwärmung ausgezeichnet. Der dritte im Bunde, Giorgio Pairis, bekam den Preis für seinen Beitrag zum Verständnis komplexer Systeme.
Seit der ersten Vergabe im Jahr 1901 wurde der Physik-Nobelpreis 115-mal verliehen. Weil oft mehrere Personen gemeinsam ausgezeichnet werden, gibt es aber 214 Preisträger und vier Preisträgerinnen.
Die Nobelwoche im Überblick
Der Nobelpreis gilt international als eine der wichtigsten wissenschaftlichen Auszeichnungen. Zum Auftakt der Nobel-Woche wurde am Montag der diesjährige Preisträger in der Kategorie Medizin/Physiologie bekannt gegeben. Ausgezeichnet wurde der in Deutschland forschende Schwede Svante Pääbo für seine Pionierleistung auf dem Gebiet der Paläogenetik. Unter seiner Leitung wurde erstmals die DNA eines Neandertalers entschlüsselt.
Am Mittwoch wird der Nobelpreis für Chemie vergeben. Am Donnerstag folgt der Preis für Literatur, am Freitag der Friedensnobelpreis und am Montag die Auszeichnung für Wirtschaftswissenschaften.
Der Stifter des renommierten Preises, Alfred Nobel, hatte als wichtiges Vergabekriterium die Gemeinnützigkeit der Forschung festgelegt. Trotz dieses humanitären Grundgedankens steht der Nobelpreis innerhalb der Wissenschaft auch immer wieder in der Kritik. Der Grund dafür ist, dass er nur einzelnen Personen zuerkannt wird. Oft ist Forschung aber Teamarbeit. Die Auszeichnung einzelner würde Personenkult fördern und falsche Anreize setzen.
