Wie die Fernwirkung den "Spuk" verlor

Der Nobelpreis für Physik 2022 geht an drei Quantenphysiker. Der Österreicher Anton Zeilinger, der Franzose Alain Aspect und der US-Amerikaner John F. Clauser erhalten die höchste Auszeichnung der Wissenschaften für Pionierarbeiten der Quanteninformation und somit die Grundlagen für den Quantencomputer. Das gab die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften am Dienstag in Stockholm bekannt.

Die drei Laureaten hätten den von Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" abgetanen quantenphysikalischen Zustand, bei dem zwei Teilchen wie von Zauberhand miteinander verbunden bleiben, "aus der Theorie in die Praxis gebracht", hieß es seitens des Komitees. "Die philosophischen Vorhersagen der Quantenmechanik haben Tore zu einer anderen Welt aufgestoßen. Heute ist die Quanteninformation ein dynamisches Fachgebiet mit neuen Anwendungen", sagte Eva Olsson vom Nobel-Komittee im Stockholm. Dazu zählen der Quantencomputer, der Daten schneller und sicherer verarbeitet und weiterleitet als bisher, oder die Quanten-Kryptografie zur besseren Verschlüsselung.
"Ich war extrem überrascht", sagte Zeilinger in einer ersten Reaktion am Dienstagvormittag zum Anruf des Nobel-Komittees: "Ich stehe immer noch unter Schock – aber es ist ein sehr positiver Schock!"

Anton Zeilinger ist nach Wolfgang Pauli (1945), Victor Franz Hess (1936) und Erwin Schrödinger (1933) der vierte Physiknobelpreisträger aus Österreich. Mit ihm sind 19 der Laureaten innerhalb der Grenzen des heutigen Österreichs geboren und insgesamt 32 in einem Gebiet, das zum Zeitpunkt ihrer Geburt zu Österreich gehörte. Jede Zählweise, ob Geburtsort, Staatsbürgerschaft oder Ort der Tätigkeit, gilt als problematisch, wie das Beispiel der von den Nazis aus ihrer Heimat vertriebenen Laureaten zeigt. Das Nobelpreiskomitee selbst hat entschieden, den Geburtsort heranzuziehen.

Kuriosität als Werkzeug

Zeilinger, geboren am 20. Mai 1945 im oberösterreichischen Ried im Innkreis, hatte in seinen Studien der Physik und Mathematik an der Universität Wien "keine einzige Vorlesung" zur Quantenmechanik. Diese war damals reine Theorie. "Jedoch hat mich das Fachgebiet immer interessiert, weil seine Vorhersagen nicht mit der üblichen Intuition, die man haben könnte, zusammenpassten. Und das Interessante ist, dass viele grundlegende Fragen nach wie vor unbeantwortet sind", sagte Zeilinger.

"Um die Quantenphysik zu verstehen, müssen wir ungewöhnlich denken", hatte er einmal im Interview mit der "Wiener Zeitung" gesagt. Das Phänomen der Verschränkung sei ein quantenphysikalischer Zustand von mindestens zwei Teilchen, der Grundannahmen der klassischen Physik widerspricht. Zwei verschränkte Teilchen bleiben auch über beliebige Distanzen miteinander verbunden, Veränderungen an einem beeinflussen scheinbar augenblicklich das andere.

"Wenn man ein Teilchen misst, nimmt es bei der Messung eine Eigenschaft an, und das andere, beliebig weit weg, nimmt im selben Moment ebenfalls die entsprechende Eigenschaft an, obwohl zwischen ihnen keine Verbindung besteht", so der Physiker. All dies ließe sich an winzigen Teilchen, die Information beinhalten, messen. "Eine Teleportation von Menschen wie in "Star Trek" bleibt aber Science Fiction", stellte er klar.

Seine Doktorarbeit machte Zeilinger bei Helmut Rauch (1939-2019), Österreichs Urvater der Quantenoptik. In dieser Zeit konnte Rauch zeigen, dass nicht nur Lichtteilchen Welleneigenschaften besitzen, sondern - wie von der Quantenphysik vorhergesagt - auch massive Teilchen, wie Neutronen. Nach der Promotion (1971) blieb Zeilinger als Assistent bei Rauch. Forschungsaufenthalte im Ausland führten ihn zum späteren Nobelpreisträger Clifford Shull an das Massachusetts Institute of Technology, wo er begann, sich mit der Verschränkung zu beschäftigen.

Zeilinger machte aus dieser scheinbaren wissenschaftlichen Kuriosität ein mächtiges Werkzeug nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für Anwendungen. 1986 beschrieb er eine spezielle Form der Verschränkung von drei Teilchen, die heute als "GHZ-Zustand" bezeichnet wird. Die Arbeit gilt in Fachkreisen als eine seiner wichtigsten Leistungen. Ab 1998 konnte er diese Zustände auch experimentell erzeugen.

Als Professor an der Universität Innsbruck legte Zeilinger ab 1990 das Fundament für die heute zur Weltspitze zählende österreichische Quantenphysik. Ab 1999 leitete er an der Universität Wien das Institut für Experimentalphysik, wo er bis zu seiner Emeritierung 2013 als Professor tätig war. 2003 gründete er gemeinsam mit Physiker-Gruppen der Uni Innsbruck um Rainer Blatt, Rudolf Grimm, Peter Zoller und Hans Briegel das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).

Fachlich gilt Zeilinger, einer der meist zitierten Forscher Österreichs, als begnadeter Experimentator, dem es in ausgefeilten Versuchen gelingt, neue Zusammenhänge aufzudecken und gängige Theorien zu bestätigen oder zu widerlegen. Dabei hat er sich mit technischer Präzision und intellektueller Weitsicht immer wieder auch mit Grundfragen der Quantenphysik beschäftigt. Diese Auseinandersetzung führte zu Ergebnissen mit Teleportation, die international Aufsehen erregten. Etwa gelang ihm 1997 erstmals die Teleportation von Lichtteilchen. Auch wenn es dabei nicht wie in "Star Trek" um Fernübertragung von Materie, sondern von exakter Information geht, wurde der Versuch mit "Beamen" verglichen. Zeilinger selbst vermeidet solche Begriffe, schien aber nie ein großes Problem damit zu haben, "Mr. Beam" genannt zu werden. Das Interesse der Öffentlichkeit war ihm damit sicher. Für seine Vermittlungsarbeit kürte ihn der Klub der Bildungs- und Wissenschaftsjournalisten 1996 zum "Wissenschafter des Jahres".

"Schlupflöcher" geschlossen

Als Anknüpfungspunkte zur Anwendung erkannte der Physiker, dass sich Effekte aus der Quantenwelt für neue Zwecke nutzen lassen, etwa die Quanten-Kryptographie. Dabei wird die Verschränkung zur abhörsicheren Übermittlung von Schlüsseln genutzt. Mit der Vision eines weltumspannenden Quanteninternet vor Augen leiteten er und sein Team Lichtleiter durch einen Abwasserkanal unter der Donau hindurch, dann quer über Wien und dann zwischen die Kanarischen Inseln. 2017 führte schließlich Zeilinger als ÖAW-Präsident mit seinem chinesischen Amtskollegen das erste quantenverschlüsselte Videotelefonat. Die American Physical Society kürte das "Quantentelefonat" zu einem der zehn Physik-Highlights des Jahres.

Mit der Verschränkung hatte selbst Albert Einstein seine Not, da die "spukhafte Fernwirkung" der Alltagserfahrung widerspricht. Lange Zeit wurde debattiert, ob der Effekt nicht doch von verborgenen, anderen Variablen verursacht wird.
John Bell (1928-1990) postulierte 1964, dass das Messresultat des einen Teilchens nicht davon abhängen darf, was man am anderen Teilchen misst. Der Amerikaner John F. Clauser (79), dessen Vater Luftfahrtingenieur war, entwickelte die Ideen von Bell weiter. Seine Überlegungen mündeten in ein Experiment, dessen Ergebnisse "gegen die Bell’sche Ungleichung verstießen". Das sprach gegen die Idee der "verborgene Variablen". Alain Aspect (75), Sohn eines Lehrerpaars, entwickelte Clausers Versuchsaufbau weiter, sodass die Messung erst stattfand, nachdem ein verschränktes Photonen-Paar seine Quelle verlassen hatte.

Wie Zeilinger, dessen Vater Rektor der Universität für Bodenkultur war, wuchsen auch die anderen Physik-Nobelpreisträger mit der Wissenschaft auf. Laut dem Nobel-Komittee haben sie wichtige "Schlupflöcher" der Quantenphysik geschlossen.