Quanten auf dem Prüfstand

Einsteins Spuk hat ein Ende

Von Manfred Lindinger
 - 21:46
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Man stelle sich zwei Würfel vor, die, wenn man sie gleichzeitig würfelt, immer die gleiche Zahl liefern. Was für die meisten nach Hexerei klingt, ist durchaus Wirklichkeit, zumindest in der Welt der Quantenteilchen. Nur hat man es dort nicht mit Würfeln zu tun, sondern mit Lichtteilchen (Photonen) oder Elektronen. Die Rede ist vom quantenphysikalischen Phänomen der Verschränkung. Albert Einstein hatte sie einst als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet. Denn zwei stark quantenmechanisch verknüpfte Teilchen verhalten sich trotz großer Distanzen wie ein einheitliches System. Ändert sich der Zustand des einen Teilchens, dann „spürt“ dies das andere instantan und ändert sofort seinen Zustand ebenfalls entsprechend, selbst wenn beide Partner Lichtjahre voneinander entfernt sind.

Da dieses Verhalten der Speziellen Relativitätstheorie offenkundig widerspricht, wird schon seit langem darüber gestritten, ob die Verschränkung tatsächlich eine Eigenart der Quantentheorie an sich ist oder ob verschränkte Teilchen schon vor der Messung alle Eigenschaften des Partners kennen. Wissenschaftler aus den Niederlanden, Spanien, England und den Vereinigten Staaten sind angetreten, endgültig Klarheit in den Sachverhalt zu bringen. Über ihren spektakulären Freilandversuch berichten Ronald Hansen von der TU Delft und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“.

Dem Lauscher keine Chance

War das Phänomen der Verschränkung den Pionieren der Quantenphysik noch suspekt, werden heutzutage fast schon routinemäßig Paare von korrelierten Lichtquanten, Elektronen oder von geladenen Atomen erzeugt und manipuliert. Verschränkte Teilchen sind für viele Forscher und Sicherheitsexperten das ideale Medium, um eine abhörsichere Datenübertragung zu gewährleisten. Denn ein Lauscher, der eines der verschränkten Partikeln anzapfte und damit den Zustand veränderte, würde natürlich vom Sender und Empfänger sofort bemerkt und enttarnt.

Da die quantenmechanische Verschränkung jeglicher Alltagserfahrung widerspricht, hatte nicht nur Albert Einstein Zweifel an der geheimnisvollen Fernwirkung zwischen zwei verschränkten Teilchen, sondern auch viele Physiker nach ihm. Ihr Argument: Die Verschränkung widerspricht der Speziellen Relativitätstheorie, da sich bekanntlich nichts schneller ausbreiten kann als das Licht – und damit freilich auch nicht die Information darüber, was mit einem verschränkten Teilchen augenblicklich geschieht. Man vermutete „verborgene Variablen“, die zwei verschränkten Quantenteilchen bei der Erzeugung mitgegeben werden und die für eine perfekte Abstimmung der Eigenschaften sorgen – ohne dass jemand die Variablen aufspüren kann.

Eine Ungleichung sorgt für Klarheit

Der hitzigen Debatte setzte John Bell 1964 mit seinem Kunstgriff zumindest theoretisch ein Ende. Der nordirische Physiker hatte mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung eine mathematische Ungleichung formuliert, die korrelierte Messwerte erfüllen müssen, wenn sie sich auf klassische Teilchen beziehen, die an bestimmten Ort existieren, unabhängig davon, ob jemand hinschaut, ist die Bellsche Ungleichung verletzt, dann sind die Teilchen der Quantenphysik nicht von dieser Art.

Was theoretisch zwar recht leicht zu zeigen ist, hat sich im Experiment aber als äußert harte Nuss erwiesen. Denn es gibt bei den Versuchsabläufen - trotz aller Sorgfalt der Wissenschaftler - von der Erzeugung bis zum Nachweis der verschränkten Teilchen, zahlreiche Schlupflöcher, die den Quanteneffekt nur vortäuschen. So ist es denkbar, dass die Information über den Verlauf der Messungen über klassische Kommunikationswege ausgetauscht wird, wenn die Detektoren, die die Teichen registrieren zu nah beieinander stehen (Lokalitäts-Schlupfloch). Da man häufig nur einen Teil der verschränkten Teilchen nachweist (etwa wenn man mit Lichtteilchen arbeitet), ist es denkbar, dass die Stichprobe die Verschränkung vortäuscht. Die Gesamtheit der Teilchen kann sich durchaus rein klassisch verhalten (Nachweis-Schlupfloch). Die Wissenschaftler um Ronald Hanson haben offenbar nun beide Schlupflöcher geschlossen – und zwar erstmals gleichzeitig.

Harte Prüfung für die Quantenphysik

Als Untersuchungsobjekt verwendeten die Physiker Paare von Elektronen, deren Spins (Eigendrehimpulse) sie mit Mikrowellen zunächst miteinander verschränkten und anschließend mit Laserlicht den Grad der Korrelation bestimmten. Die Elektronen wurden in zwei tiefgekühlten Diamanten präpariert, die sich auf dem Campus der TU Delft in zwei 1,3 Kilometer weit entfernten Laboratorien befanden. Die Forscher um Hansen wiesen 245 verschränkte Elektronenpaare nach und ermittelten, ob sie die Bellsche Ungleichung erfüllten oder nicht. Das Ergebnis war eindeutig: In allen Fällen wurde die Bellsche Ungleichung verletzt, was für die Quantennatur der korrelierten Elektronenpaare sprach.

Aber existierte nicht doch ein Schlupfloch, das das Messergebnis nur vorgaukelte? Die Forscher unternahmen einige Vorsichtsmaßnahmen, um sowohl das Lokalitäts-Schlupfloch, als auch das Schlupfloch beim Nachweis zu unterbinden. So waren die korrelierten Teilchen und die Detektoren mit 1,3 Kilometern viel zu weit voneinander entfernt, als das innerhalb einer Messung ein geheime „Absprache“ auf klassischem Weg möglich gewesen wäre. Zudem haben sie Elektronen und deren Spins als Proben verwendet. Diese lassen sich mit großer Effizienz rasch nachweisen. Zudem hat man keine Stichprobe gemessen, sondern alle ursprünglich erzeugten Elektronen hinterließen ihre Signale in den Detektoren.

Nach Ansicht der Wissenschaftler um Hansen ist es nicht möglich, dass unberücksichtigte klassische physikalische Effekte aufgetreten sind, die eine Verletzung der Bellschen Ungleichung vorgetäuscht haben. „Dies ist das erste Mal, dass alle Schlupflöcher auf einmal in einem einzigen Experiment geschlossen wurden. Wir sehen, dass das unsichtbare Band zwischen den Elektronen tatsächlich existiert“, fasst Koautor Bas Hensen die Befunde zusammen. Die Physiker hoffen, die wohl leidenschaftlichste Debatte in der Physik damit endgültig beendet zu haben.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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