Wohl die meisten haben schon einmal etwas von Quantenraum, Quantencomputer oder ähnlichem gehört sei es im Physikunterricht, in Filmen oder Serien, doch was ist das eigentlich? Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckten Physiker, dass sich in der mikroskopischen Welt der Teilchen und Atome ein gänzlich anderes Verhalten als in der klassischen, also für uns beobachtbaren, Welt zeigt. Erst die Theorie der Quantenmechanik entwickelt von Werner Heisenberg (Breaking Bad reference lol), Erwin Schrödinger und anderen Physikern lieferte Konzepte, um die Vorgänge in der Quantenwelt zu beschreiben.

Gemäß dieser Theorie können Teilchen beispielsweise miteinander verschränkt sein, was heisst, dass bestimmte Eigenschaften miteinander verknüpft sind und sie sich nicht mehr unabhängig voneinander beschreiben lassen. Zudem werden die Eigenschaften eines Quantenteilchens erst durch eine Messung festgelegt, was weiter durch das Gedanken Experiment Schrödingers Katze anschaulich gemacht wird, weshalb ich empfehlen kann das unten verlinkte Video anzuschauen. Dadurch verändert die Messung an einem Teilchen unmittelbar den Zustand eines anderen mit ihm verschränkten Teilchens egal wie weit beide voneinander entfernt sind. Damit wären gleich zwei Prinzipien der klassischen Physik nicht eingehalten, zum einen Lokalität und zum anderen Realismus, denn die Eigenschaften der Gegenstände existieren unabhängig davon, ob wir sie messen und wie weit sie voneinander entfernt sind. Um dies zu veranschaulichen stellen sie sich vor sie haben eine Kiste mit einem Ball hier auf der Erde. Der Ball ist jedoch mit einem anderen Ball am anderen Ende des Universums verschränkt. Die Bälle haben aber unterschiedliche Farben, einer rot, der andere blau. Sie wissen aber nicht welcher in ihrer Kiste ist. Laut Schrödinger ist der Ball in der Kiste, solange sie diese nicht öffnen, also gleichzeitig rot und blau. Erst wenn sie nachsehen legt er diese Eigenschaft fest, genau so aber auch der Ball am anderen Ende des Universums. Somit wird also durch die Verschränkung der Bälle eine Information mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen was den Gesetzen der Physik widerspricht, denn Informationen sind an Masse gebunden und Masse kann nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit reisen.

Genau dieses Paradoxon führte selbst bei Einstein zu Kopfzerbrechen. Er glaubte diese «spukhafte Fernwirkung» könne nicht existieren, weshalb er und andere Physiker seiner Zeit zum Schluss kamen, es gäbe eine Art versteckte Variablen in allen Teilchen die vorbestimmen würde wie sich die verschränkten Teilchen bei Beobachtung zu verhalten hätten.

Im Jahr 1964 aber, gelang es John Stewart Bell, diese philosophischen Fragen in eine mathematische Gleichung zu übersetzen. Mit dieser nach ihm benannten Bell‘schen Ungleichung kann man Aussagen darüber treffen, wie stark die Messergebnisse an verschränkten Teilchen im Rahmen einer lokal realistischen Theorie miteinander korreliert sind. Damit lässt sich überprüfen, ob sich Quantenteilchen wie Objekte im Sinne der Quantentheorie verhalten oder ob sie doch lokale Zusatzeigenschaften im Sinne Einsteins aufweisen. Doch es dauerte noch einige Jahre, bis die Ideen von Bell experimentell untersucht wurden. Hier spielten die drei diesjährigen Nobelpreisträger in der Kategorie Physik eine entscheidende Rolle.

Im Jahr 1974 führte John Francis Clauser gemeinsam mit seinen Kollegen ein Experiment durch, das erstmals eindeutig auf eine Verletzung der Bell‘schen Ungleichung hinwies. Dafür untersuchten die Physiker die von verschränkten Photonenpaaren. Die Polarisation zeigte dabei aufgrund der Verschränkung in dieselbe Richtung, war zunächst aber unbekannt. Erst durch das unabhängige Messen der Polarisation der beiden Photonen wurde diese bestimmt. So stellten sie fest, dass die Messergebnisse des einen Photon, von der Messung abhing, die an dem anderen Photon durchgeführt wurde. Damit wurde der Zufallscharakter der Quantenmechanik bestätigt und Albert Einsteins Vorstellung widerlegt.

Auch Alain Aspect beschäftigte sich in seinen Experimenten mit der Bell’schen Ungleichung. Gemeinsam mit seinem Team entwickelte er die experimentelle Methode von Clauser nochmals weiter und konnte 1982 abermals die von Einstein, und seiner Zeitgenossen Theorie von verborgenen Variablen ausschließen. Der neue Aufbau des Experiments ermöglichte es, sogenannte „Schlupflöcher“ zu stopfen, um etwa externe Einflussfaktoren oder unbekannte Kräfte auszuschließen. Und seither werden derartige Experimente immer wieder weiterentwickelt, um noch mehr Schlupflöcher zu schließen.

So auch im Jahr 1999 von Anton Zeilinger und seinen Kollegen Daniel Greenberger und Michael Horne. Ihnen gelang es im Jahr 1997 erstmals, einen Quantenzustand zu teleportieren. In ihren Experimenten übertrugen Zeilinger und sein Team einen bestimmten Quantenzustand von einem Teilchen an einem Ort auf ein Teilchen an einem anderen Ort. Bei einer solchen Quantenteleportation geht der Zustand des Ursprungsteilchens verloren und das andere Teilchen nimmt diesen Zustand an, wofür sie auch verschränkt sei müssen.

Die drei Physiker werden somit für bahnbrechende Experimente ausgezeichnet, mit denen sie in den vergangenen Jahrzehnten die Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik immer wieder überprüften und bestätigten. Ihre Ergebnisse revolutionierten nicht nur die Physik, sondern bereiteten auch den Weg für neue Technologien, mit denen sich Quantenzustände kontrollieren lassen und ganz neue Anwendungen ermöglicht werden, von der Quantensensorik, Quantencomputer und Quantenkryptographie, möglicherweise in ferner Zukunft bis hin zu unendlich schnellem Informationsaustausch und Teleportation.