Quantenverschränkung – das ist der zentrale Begriff der Forschung, die dieses Jahr mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Anton Zeilinger, einer der neuen Nobelpreisträger, hat bei seinem Doktorvater Prof. Helmut Rauch am Atominstitut (damals interuniversitär, heute TU Wien) die Grundlagen für seinen späteren Erfolg gelegt und ist an der TU Wien habilitiert. Die Verbindungen zwischen seiner Arbeit und der Arbeit an der TU Wien, insbesondere am Atominstitut, sind bis heute sehr eng.

Die „spukhafte Fernwirkung“ ist kein Spuk

Ein Quantensystem kann aus mehreren Teilchen bestehen, die auf eine Weise miteinander verbunden sind, wie wir es aus unserer klassischen Alltagserfahrung nicht kennen: Die beiden Teilchen lassen sich nicht alleine beschreiben, sie bilden ein gemeinsames Quantenobjekt. Damit beeinflusst eine Messung des einen Teilchens augenblicklich auch das andere – selbst dann, wenn beide Teilchen weit voneinander entfernt sind. Das ist das Grundprinzip der Quantenverschränkung.

Albert Einstein wollte das nicht glauben – er bezeichnete diese Quantenverschränkung als „spukhafte Fernwirkung“ und hielt sie für einen Irrtum. Doch die Experimente von Zeilinger, Aspect und Clauser zeigten: Diese merkwürdige Verschränkung von Teilchen gibt es wirklich.

An der TU Wien forschte Anton Zeilinger mit Neutronen – Helmut Rauch hatte in diesem Bereich bahnbrechende Vorarbeiten geleistet. 1971 promovierte Zeilinger, 1979 habilitierte er sich. Sein weiterer Weg führte ihn in die USA, nach Frankreich, Australien und Deutschland, bevor er nach Österreich zurückkehrte – 1990 zunächst an die Universität Innsbruck, dann an die Universität Wien. Nachdem er an der TU Wien habilitiert ist, scheint er auch hier bis heute als Mitarbeiter auf – er hielt immer wieder Lehrveranstaltungen ab.

„Lange überfällig“

„Dieser Nobelpreis war schon lange überfällig“, sagt Prof. Thorsten Schumm, Dekan der Fakultät für Physik der TU Wien. „Quantenverschränkung ist ein ganz grundlegendes Konzept, das in allen Bereichen der Quantenphysik eine zentrale Rolle spielt. Erst durch die Forschungsarbeit, die heute mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, konnte man die volle Tragweite dieses Konzepts auch wirklich verstehen.“ Thorsten Schumms Doktorvater ist Alain Aspect, der sich den Nobelpreis nun mit Zeilinger und Clauser teilt. Am Atominstitut der TU Wien werden Konzepte erforscht, bei denen Quantenverschränkung eine zentrale Rolle spielt – insbesondere mit Neutronen.

Überlagerungszustände und Quantenmessung

Anton Zeilinger demonstrierte das Prinzip der Quantenverschränkung mit Photonen: Photonen können unterschiedliche Schwingungsrichtungen haben – horizontal oder vertikal. Die Quantentheorie sagt allerdings: Wenn zwei Zustände erlaubt sind, dann ist auch eine Kombination dieser Zustände erlaubt. Wenn sich etwa ein Teilchen nach links oder nach rechts bewegen kann, dann kann es sich auch gleichzeitig nach links und nach rechts bewegen – ganz im Gegensatz zu den klassischen Objekten, mit denen wir im Alltag zu tun haben, die sich immer für eine Variante entscheiden müssen.

Somit kann sich auch ein Lichtteilchen in einem Überlagerungszustand aus „schwingt horizontal“ und „schwingt vertikal“ befinden. Erst wenn man die Schwingungsrichtung des Teilchens misst, erhält man ein eindeutiges Ergebnis – das Teilchen legt sich bei der Messung auf eine Schwingungsrichtung fest.

Nun kann man aber zwei Lichtteilchen herstellen – und zwar so, dass sich jedes von ihnen in einem unbestimmten Überlagerungszustand befindet, dass das Gesamtsystem aber insgesamt trotzdem genau bestimmt ist: Man weiß genau: Sie schwingen entgegengesetzt. Das eine so, das andere anders.

Wenn man nun eines der Teilchen misst und das Ergebnis „schwingt horizontal“ bekommt, ist dieses Teilchen nicht mehr in einem Überlagerungszustand. Damit wurde nun aber gleichzeitig auch der Zustand des anderen Teilchens festgelegt. Wir wissen ja dass beide unterschiedlich schwingen – also muss sich jetzt das andere Teilchen im Zustand „schwingt vertikal“ befinden – obwohl an diesem Teilchen gar keine Messung durchgeführt wurde, obwohl dieses zweite Teilchen vom Ort der Messung kilometerweit entfernt sein kann. Die beiden Teilchen gehören zusammen – eine Messung am einen Teilchen beeinflusst auch den Zustand des anderen.