04.10.2022 - Kungl. Vetenskapsakademien (The Royal Swedish Academy of Sciences)

Nobelpreis für Physik 2022 geht an drei Quantenforscher aus Frankreich, den USA und Österreich

Verschränkte Zustände – von der Theorie zur Technologie

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat beschlossen, den Nobelpreis für Physik 2022 an Alain Aspect (Université Paris-Saclay und École Polytechnique, Palaiseau, Frankreich), John F. Clauser (J.F. Clauser & Assoc., Walnut Creek, CA, USA) und Anton Zeilinger (Universität Wien, Österreich) „für Experimente mit verschränkten Photonen, den Nachweis der Verletzung der Bellschen Ungleichungen und Pionierarbeiten in der Quanteninformationswissenschaft“ zu verleihen.

Verschränkte Zustände – von der Theorie zur Technologie

Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger haben jeweils bahnbrechende Experimente mit verschränkten Quantenzuständen durchgeführt, bei denen sich zwei Teilchen wie eine Einheit verhalten, auch wenn sie getrennt sind. Ihre Ergebnisse haben den Weg für neue, auf Quanteninformation basierende Technologien geebnet.

Die unbeschreiblichen Effekte der Quantenmechanik finden allmählich Anwendung. Inzwischen gibt es ein großes Forschungsgebiet, das Quantencomputer, Quantennetzwerke und sichere verschlüsselte Quantenkommunikation umfasst.

Ein Schlüsselfaktor für diese Entwicklung ist die Tatsache, dass die Quantenmechanik es ermöglicht, dass zwei oder mehr Teilchen in einem so genannten verschränkten Zustand existieren. Was mit einem der Teilchen in einem verschränkten Paar geschieht, bestimmt, was mit dem anderen Teilchen geschieht, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind.

Lange Zeit war die Frage, ob die Korrelation darauf zurückzuführen ist, dass die Teilchen in einem verschränkten Paar versteckte Variablen enthalten, d.h. Anweisungen, die ihnen sagen, welches Ergebnis sie in einem Experiment liefern sollen. In den 1960er Jahren entwickelte John Stewart Bell die nach ihm benannte mathematische Ungleichung. Diese besagt, dass bei Vorhandensein verborgener Variablen die Korrelation zwischen den Ergebnissen einer großen Anzahl von Messungen niemals einen bestimmten Wert überschreiten wird. Die Quantenmechanik sagt jedoch voraus, dass eine bestimmte Art von Experimenten gegen die Bellsche Ungleichung verstößt, was zu einer stärkeren Korrelation führt, als es sonst möglich wäre.

John Clauser entwickelte die Ideen von John Bell weiter, was zu einem praktischen Experiment führte. Als er die Messungen durchführte, stützten sie die Quantenmechanik, indem sie eindeutig gegen eine Bellsche Ungleichung verstießen. Das bedeutet, dass die Quantenmechanik nicht durch eine Theorie ersetzt werden kann, die versteckte Variablen verwendet.

Nach dem Experiment von John Clauser blieben einige Lücken. Alain Aspect entwickelte den Aufbau weiter und nutzte ihn so, dass er eine wichtige Lücke schließen konnte. Er gelang ihm, die Messeinstellungen zu ändern, nachdem ein verschränktes Paar seine Quelle verlassen hatte, so dass die zum Zeitpunkt der Emission bestehende Einstellung das Ergebnis nicht beeinflussen konnte.

Mit verfeinerten Werkzeugen und einer langen Reihe von Versuchen begann Anton Zeilinger, verschränkte Quantenzustände zu nutzen. Seine Forschungsgruppe hat unter anderem ein Phänomen namens Quantenteleportation nachgewiesen, das es ermöglicht, einen Quantenzustand von einem Teilchen auf ein anderes zu übertragen, das sich in einiger Entfernung befindet.

„Es wird immer deutlicher, dass eine neue Art von Quantentechnologie im Entstehen begriffen ist. Wir können sehen, dass die Arbeit der Preisträger mit verschränkten Zuständen von großer Bedeutung ist, auch über die grundlegenden Fragen zur Interpretation der Quantenmechanik hinaus“, so Anders Irbäck, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik.

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