Nobelpreis für «Quantenspuk»
Im Februar 2017 erschien in den Physical Review Letters der kurze Bericht über ein Experiment, das vermutlich wenige beachteten. Physiker in Wien richteten Licht von Sternen aus einer entfernten Ecke unserer Milchstrasse auf eine Vorrichtung, welche die Polarisation von Photonen misst. Das Team der Physiker leitete Anton Zeilinger, der jetzt den Nobel-preis 2022 erhält.
Bevor ich die Polarisation von Photonen kurz erkläre, möchte ich etwas weiter ausholen. Es geht in diesem Experiment nämlich im Grunde nicht um Licht, sondern um den Zufall. Wir kennen ihn aus der Statistik und der Wahrscheinlichkeitstheorie. Und weil die Quantenphysik probabilistische Aussagen über die Welt macht, spielt der Zufall auch in ihr eine zentrale Rolle. Allerdings zeigt er hier ein ganz neues und höchst irritierendes Gesicht.
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Nähern wir uns ihm mit einem einfachen klassischen Gedankenexperiment. Alice und Bob werfen je eine faire Münze. Alice befindet sich in Sidney, Bob in Berlin. Sie tauschen keine Informationen aus. Alice und Bob werfen ihre Münzen zum Beispiel tausendmal, sie erzeugen also eine Zufallsfolge von Kopf (K) und Zahl (Z). Weil es sich um lokale Zufallsfolgen handelt (eine in Sidney, die andere in Berlin), ist zu erwarten, dass sie sich in vielen Stellen unterscheiden. Alice wirft etwa KKZZKZZKKZ.. und Bob ZKZZKKKZZK.. Angenommen nun, Alice und Bob würden beim Endvergleich zu ihrem Erstaunen feststellen, dass sie exakt die gleiche Folge KKZZKZZKKZ.. geworfen haben. Das widerspricht zutiefst unserer gängigen Vorstellung. Zweimal genau die gleiche Ziffernfolge KKZZKZZKKZ.., tausend-mal zufällig geworfen und an weit entfernten Orten - eine solche Korrelation erscheint höchst unwahrscheinlich, wofern nicht irgendein verborgener Trick einen Zusammenhang gestiftet hat. Tatsächlich aber existiert in der Natur ein solcher seltsamer Zusammenhang, der «nichtlokale Zufall».
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Wie ist er zu erklären? Quantenobjekte können – im Gegensatz zu klassischen Objekten wie Münzen – auf eine ganz besondere Art miteinander korreliert sein, nämlich verschränkt. Das sei wiederum am Münzenbeispiel erläutert. Eine Zündholzschachtel ist in zwei Hälften unterteilt. In jeder Hälfte liegt eine Münze, mit Kopf oder Zahl oben: Zustand K bzw. Zu-stand Z. Wenn die Schachtel geschlossen ist, sagen wir: Wir wissen nicht, in welchem Zu-stand die Münzen links und rechts sind, aber sie sind eindeutig in einem der beiden Zustände K oder Z. Klassisch gesehen sind die Zustände K und Z unabhängig. Wenn ich zum Beispiel feststelle, dass die Münze in der rechten Hälfte Kopf zeigt, weiss ich noch nicht, wie die Münze in der linken Hälfte liegt.
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Die Quantentheorie erlaubt eine völlig andere Beschreibung. In ihr werden Zustände durch Wellenfunktionen beschrieben. Teilchenzustände können sich wie Wellen überlagern. Wären die Münzen in der Schachtel verschränkte Quantenobjekte, könnten wir nur ihren Gesamtzustand beschreiben, wir könnten also nicht mehr sagen, die Münzen links und rechts befänden sich in unabhängigen Zuständen K oder Z. Es verhält sich vielmehr so, als ob die Münzen als verschränktes Paar «unentschieden» wären, in welchem Zustand sie sich befinden. Wirklich kurios ist aber: Beobachten wir in der einen Hälfte K, dann wissen wir aufgrund der Verschränktheit augenblicklich, dass auch in der andern Hälfte K vorliegt. Die Kenntnis des einen Zustands liefert uns die Kenntnis des andern gleich mit. Und zwar trifft dies selbst dann zu, wenn wir uns die beiden Schachtelhälften sehr weit voneinander entfernt denken.
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Dieses Phänomen lässt sich an Quantenobjekten beobachten, zum Beispiel an Photonen. Die moderne Physik beschreibt Licht sowohl als Welle wie als eine Ansammlung von Lichtquanten: Photonen. Eine Lichtwelle schwingt in einer bestimmen Ebene, sie ist polarisiert. Ihr entsprechen in der Quantenbeschreibung die polarisierten Photonen. 1982 gelang es dem französischen Physiker Alain Aspect und seinem Team zum ersten Mal, verschränkte polarisierte Photonenpaare zu erzeugen. Nun erhält er dafür mit Zeilinger den Nobelpreis.
Wir können mit solchen Photonen ähnliche Zufallsspiele durchführen wie Alice und Bob mit Münzen. Man erzeugt – dies ein Standardverfahren - verschränkte Photonenpaare, indem man sie durch spezielle Kristalle schickt. Photonen können vertikal und horizontal polarisiert sein. Diese Zustände entsprechen den Zuständen Kopf und Zahl bei den Münzen. Statt Münzen zu werfen, schickt man die verschränkten Photonen in entgegengesetzten Richtungen durch zwei unabhängige Polarisationsfilter, die zufällig ihre Einstellung ändern und die Photonen genau dann passieren lassen, wenn diese die gleiche Einstellung aufweisen. Der klassischen Alternative Kopf oder Zahl entspricht die quantenphysikalische Alter-native vertikal (V) oder horizontal (H) polarisiert. Auf diese Weise lassen sich zwei Zufalls-reihen von Photonenpolarisationen, etwa VVHHVVH.. und VHVHVVH.. herstellen.
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Wie aber findet man heraus, ob sie verschränkt sind? Im Jahre 1964 entdeckte der nordirische Physiker John Bell ein quantitatives Kriterium, um diese Frage zu beantworten, die sogenannte Bellsche Ungleichung. Sie ist eine Art von empirischem Härtetest der Verschränkung. Trotz ihrer mathematischen Vertracktheit ist die Idee dahinter einsichtig. Bleiben wir bei der Analogie der Münzwürfe. Alice und Bob zählen, wie oft ihre Münzwürfe das gleiche Resultat ergeben. Die Bellsche Ungleichung legt eine obere Grenze für die An-zahl Koinzidenzen fest, sagen wir: bei 1000 Würfen können Alice und Bob höchstens 750 gleiche Würfe beobachten. Beobachten sie mehr, liegt eine Verletzung der Ungleichung vor. Sie bestätigt die Annahme, dass die Würfe mehr als klassisch, also quantenphysikalisch korreliert sind: verschränkt. In diesem Sinn führen die Physiker mit Quantenobjekten solche «Münzwürfe» durch, um zu prüfen, ob zwischen ihnen vorliegt, was Einstein «spukhafte Fernwirkung» nannte. Genau das gelang John Clauser 1972: der erste experimentelle Be-weis dieses «Spuks». Fünfzig Jahre später: Physiknobelpreis 2022.
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Viele Physiker finden sich damit allerdings nach wie vor nicht ab. Sie suchen nach alternativen Erklärungen, explikativen Schlupflöchern. So könnten zum Beispiel die Zufallsgeneratoren, welche die Einstellungen der Polarisatoren im beschriebenen Photonenexperiment regulieren, in Wirklichkeit nicht unabhängige Zufälle erzeugen. Um dieses Schlupfloch zu stopfen, haben die Wiener Physiker um Anton Zeilinger zu einem kosmischen Hilfsmittel gegriffen. Sie empfingen das Licht von zwei 600 Lichtjahre entfernten Sternen durch Teleskope und benutzen die Photonen dieses Lichts zur Zufallsregulierung der Polarisatoren. Licht, dessen Frequenz in einer Distanz von 600 Lichtjahren festgelegt wurde, kann nun wirklich als recht unabhängig von allen irdischen Versuchsvorrichtungen betrachtet wer-den. Auch in diesem Fall wurde eine Verletzung der Bellschen Ungleichung konstatiert. Der Zufall regiert über Distanzen von 600 Lichtjahren hinweg...
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Die wirklich fundamentale Konsequenz all dieser Experimente liegt in einer neuen Interpretation des Zufalls. Die klassische Interpretation ist subjektiv: Der Münzenwurf ist zufällig, weil wir nicht alle Faktoren der Beeinflussung kennen. Ein gottgleicher idealer Beobachter würde alle möglichen Einflussfaktoren sehen, und könnte dadurch voraussagen, ob Kopf oder Zahl vorliegt. Die Vorstellung dahinter: In der Natur läuft «im Prinzip» alles deterministisch ab.
Nun dankt Gott als Strippenzieher ab. Selbst bei maximaler Quantenkenntnis – also einer Wellenfunktion, die den Weltzustand vor dem Münzenwurf repräsentiert, könnte er nicht mit völliger Gewissheit voraussagen, ob Kopf oder Zahl oben liegt, weil die Ungewissheit quasi auf Mikroniveau in die Natur selbst eingebaut ist. Einsteins Gott – der «Alte» - würfelt. Besser noch: Er weiss eigentlich nicht, dass er eine Marionette von Würfeln ist. Deshalb erfreut ihn wahrscheinlich der Physiknobelpreis 2022 nicht so sehr.
