Nobelpreis für Physik - Quantenphysik: Wie von Geisterhand

Sie öffnen die Tür in eine andere Welt – drei Experimentalphysiker erhalten den Nobelpreis für Physik.

Drei Forscher auf dem Gebiet der Quantenphysik haben den Nobelpreis für Physik erhalten: der Franzose Alain Aspect, der Amerikaner John Clauser und der Österreicher Anton Zeilinger.

Der Quantenphysik wohnt schon immer ein wenig Magie inne: Die Welt der kleinsten Teilchen ist nicht mit den herkömmlichen physikalischen Gesetzen zu erklären, die Isaac Newton beschrieb, die von Schwerkraft und Beschleunigung handeln. Eine Magie, über die sich schon Albert Einstein den Kopf zerbrach.

«Was da ausgezeichnet wurde, gehört zu den grundlegendsten und wichtigsten Erkenntnissen der letzten 50 Jahre. Nicht nur in der Physik, sondern in allen Naturwissenschaften», sagt Philipp Treutlein, Professor für experimentelle Quantenphysik an der Uni Basel.  

John Francis Clauser

Experimentalphysiker

Der Physiker wurde 1942 in Pasadena, Kalifornien, geboren. Bereits 27-jährig machte er grundlegende Tests mit verschränkten Photonen. Anfang der 1970er-Jahre gelang ihm ein spektakuläres Experiment, mit dem die Quantenmechanik erstmals beobachtet werden konnte.

Schon 2010 wurden John Clauser, Anton Zeilinger und Alain Aspect gemeinsam ausgezeichnet: mit dem Wolf-Preis. Der von der in Israel ansässigen «Wolf Foundation» ausgelobte Preis gilt nach dem Nobelpreis zu den angesehensten Preisen weltweit.

Das Phänomen der verschränkten Teilchen

Ein wesentlicher Teil der Quantenphysik ist, dass Teilchen wie von Geisterhand miteinander gekoppelt sind und sich beeinflussen, Physiker sprechen von «verschränkten Teilchen».

Wenn beispielsweise Photonen, also kleine Lichtteilchen, von einer Lichtquelle ausgestrahlt werden, schickt die Lichtquelle sie quasi immer paarweise aus. Die beiden Teile können dabei ganz unterschiedliche Zustände haben, bilden aber immer zusammen eine Einheit.

Lange ein Rätsel: Lichtteilchen sind wie durch Geisterhand miteinander verbunden.

Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Das Besondere: Selbst wenn die Photonen räumlich viel zu weit voneinander entfernt sind, um sich gegenseitig zu beeinflussen, geben sie durch ihren eigenen Zustand Aufschluss darüber, in welchem Zustand sich das andere Teilchen gerade befindet. «Das ist der Nachweis, dass die Natur nicht lokal ist», so Philipp Treutlein.

Teil unserer Realität

Die Quantenverschränkung ist ein Naturphänomen und Teil unserer Realität. Doch der Beweis dafür, dass es sich tatsächlich so verhält, schien lange unmöglich – die Quantenmechanik schien vielen mehr Philosophie denn beweisbare Physik.

Alain Aspect

Quantenphysiker

Der 1947 geborene Franzose ist unter anderem Professor an der Université Paris-Saclay und der École polytechnique in Paris. Sein Hauptgebiet ist die Quantenoptik. Der Physiker verfeinerte die experimentellen Messungen von Clauser, sodass weiter bestehende Zweifel an der Theorie ausgeräumt werden konnten.

Mit seiner Forschung hat er zur Entstehung von Quantenkryptografie und Quantensimulatoren beigetragen.

Die Errungenschaft der nun ausgezeichneten Forscher ist, dass sie die Quantenverschränkung in ihren Laboren nachweisen, reproduzieren und kontrollieren konnten. Sie bewiesen: Die Quantenmechanik funktioniert tatsächlich.

Teleportation von Informationen

Schlagzeilen machte der österreichische Preisträger Anton Zeilinger mit der Quantenteleportation von Photonen. Dabei handelt es sich – entgegen der Hoffnung vieler Sci-Fi-Liebhaber – nicht um die Teleportation von Materie, also Atomen, von einem Ort zum anderen.

Anton Zeilinger

Quantenphysiker

Der 1945 in Ried, Österreich, geborene Mathematiker und Physiker gilt als Pionier der Übertragung von Quanteninformation zwischen Photonen. Erstmals 1997 stellte er Experimente zur Quantenteleportation vor. Damit handelte sich der Physiker den Spitznamen "Mr. Beam" ein. Zeilinger lehrte und forschte u.a. an der Universität Wien, am MIT und am Collège de France.

Doch dank der Verschränkung kann der Quantenzustand eines Teilchens auf ein Teilchen an einem anderen Ort übertragen werden. «Was diese Technik so spannend macht, ist, dass der Zustand, in dem sich das Teilchen befindet, dafür nicht einmal bekannt sein muss», so Zeilinger im Interview nach der Verkündigung des Nobelpreises. Das gewähre absolute Datensicherheit.

Die Quantenkryptografie nutzt diese Effekte, um Nachrichten abhörsicher zu verschlüsseln. Und Quantencomputern ist die Technik wichtig, um sie beispielsweise schneller zu machen.

«Ich bin neugierig, was wir in den nächsten zehn bis 20 Jahren noch finden», sagt Nobelpreisträger Zeilinger. Er sehe seinen Preis als eine Ermutigung für junge Wissenschaftlerinnen. Denn ohne sie sei seine Forschung über all die Jahre nicht möglich gewesen.