Drei Wissenschaftler haben am Dienstag gemeinsam den diesjährigen Nobelpreis für Physik gewonnen, weil sie bewiesen haben, dass winzige Partikel eine Verbindung zueinander behalten können, selbst wenn sie getrennt sind, ein Phänomen, das einst bezweifelt wurde, aber jetzt für potenzielle reale Anwendungen wie die Verschlüsselung von Informationen erforscht wird.
Der Franzose Alain Aspect, der Amerikaner John F. Clauser und der Österreicher Anton Zeilinger wurden von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften für Experimente zitiert, die beweisen, dass das „total verrückte“ Gebiet der Quantenverschränkung nur allzu real ist. Sie zeigten, dass unsichtbare Teilchen wie Photonen miteinander verknüpft oder „verschränkt“ werden können, selbst wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind.
Das alles geht auf ein Merkmal des Universums zurück, das sogar Albert Einstein verblüffte und Materie und Licht auf verworrene, chaotische Weise verbindet.
Informationen oder Materie, die früher nebeneinander lagen, obwohl sie jetzt getrennt sind, haben eine Verbindung oder Beziehung – etwas, das möglicherweise dazu beitragen kann, Informationen zu verschlüsseln oder sogar zu teleportieren. Ein chinesischer Satellit demonstriert dies nun und möglicherweise blitzschnelle Quantencomputer, die sich noch im kleinen und nicht ganz brauchbaren Stadium befinden, verlassen sich ebenfalls auf diese Verschränkung. Andere hoffen sogar, es in supraleitendem Material einzusetzen.
„Es ist so seltsam“, sagte Aspect über die Verstrickung in ein Telefongespräch mit dem Nobelkomitee. „Ich akzeptiere in meinen mentalen Bildern etwas völlig Verrücktes.“
Doch die Experimente des Trios zeigten, dass es im wirklichen Leben passiert.
„Warum das passiert, habe ich nicht im geringsten“, sagte Clauser gegenüber The Associated Press während eines Zoom-Interviews, in dem er den offiziellen Anruf der schwedischen Akademie erhielt Einige Stunden nachdem Freunde und Medien ihn über seine Auszeichnung informiert hatten. „Ich habe kein Verständnis dafür, wie es funktioniert, aber die Verstrickung scheint sehr real zu sein.“
Seine Mitgewinner sagten auch, dass sie das Wie und Warum hinter diesem Effekt nicht erklären können. Aber jeder führte immer kompliziertere Experimente durch, die beweisen, dass er gerecht ist.
Der 79-jährige Clauser erhielt seinen Preis für ein Experiment aus dem Jahr 1972, das mit geplünderten Geräten zusammengeschustert war und dazu beitrug, eine berühmte Debatte über Quantenmechanik zwischen Einstein und dem berühmten Physiker Niels Bohr beizulegen. Einstein beschrieb „eine gespenstische Fernwirkung“, von der er dachte, dass sie irgendwann widerlegt werden würde.
„Ich habe auf Einstein gewettet“, sagte Clauser. „Aber leider lag ich falsch und Einstein lag falsch und Bohr hatte Recht.“
Aspect sagte, Einstein habe sich technisch vielleicht geirrt, verdiene aber große Anerkennung dafür, dass er die richtige Frage gestellt habe, die zu Experimenten geführt habe, die die Quantenverschränkung bewiesen.
„Die meisten Menschen würden annehmen, dass die Natur aus Dingen besteht, die über Raum und Zeit verteilt sind“, sagte Clauser, der in den 1950er Jahren als Gymnasiast ein Videospiel auf einem Röhrencomputer baute. „Und das scheint nicht der Fall zu sein.“
Was die Arbeit zeigt, ist, dass „Teile des Universums – selbst die weit voneinander entfernten – miteinander verbunden sind“, sagte der Johns-Hopkins-Physiker N. Peter Armitage. „Das ist etwas so Unintuitives und etwas, das so im Widerspruch dazu steht, wie wir denken, dass die Welt sein ‚sollte‘.“
Dieses schwer verständliche Feld begann mit Gedankenexperimenten. Aber was in gewisser Weise philosophische Gedanken über das Universum sind, birgt auch Hoffnung auf sicherere und schnellere Computer, die alle auf verschränkten Photonen und Materie basieren, die immer noch interagieren, egal wie weit sie entfernt sind.
„Bei meinen ersten Experimenten wurde ich manchmal von der Presse gefragt, wozu sie gut seien“, sagte Zeilinger, 77, Reportern in Wien. „Und ich sagte mit Stolz: ‚Es taugt nichts. Ich mache das aus reiner Neugier.’“
Bei der Quantenverschränkung erlaubt uns das Herstellen gemeinsamer Informationen zwischen zwei Photonen, die nicht nahe beieinander liegen, „Dinge wie geheime Kommunikation auf eine Weise zu machen, die vorher nicht möglich war“, sagte David Haviland, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik.
Quanteninformationen „haben breite und potenzielle Auswirkungen auf Bereiche wie sichere Informationsübertragung, Quantencomputer und Sensortechnologie“, sagte Eva Olsson, Mitglied des Nobelkomitees. „Seine Vorhersagen haben Türen zu einer anderen Welt geöffnet, und es hat auch die Grundlagen unserer Interpretation von Messungen erschüttert.“
Die Art der sicheren Kommunikation, die von Chinas Micius-Satelliten – wie auch von einigen Banken – verwendet wird, ist eine „Erfolgsgeschichte der Quantenverschränkung“, sagte Harun Siljak vom Trinity College Dublin. Durch die Verwendung eines verschränkten Partikels zur Erstellung eines Verschlüsselungsschlüssels wird sichergestellt, dass nur die Person mit dem anderen verschränkten Partikel die Nachricht entschlüsseln kann und „das Geheimnis, das diese beiden Seiten teilen, ein echtes Geheimnis ist“, sagte Siljak.
Während die Quantenverschränkung „unglaublich cool“ ist, sagte der Sicherheitstechnologe Bruce Schneier, der in Harvard lehrt, dass sie einen bereits sicheren Teil der Informationstechnologie stärkt, wo andere Bereiche, einschließlich menschlicher Faktoren und Software, eher ein Problem darstellen. Er verglich es mit dem Einbau einer Seitentür mit 25 Schlössern an einem ansonsten unsicheren Haus.
Auf einer Pressekonferenz sagte Aspect, reale Anwendungen wie der Satellit seien „fantastisch“.
„Ich denke, wir haben Fortschritte in Richtung Quantencomputing gemacht. Ich würde nicht sagen, dass wir nah dran sind“, sagte der 75-jährige Physiker. „Ich weiß nicht, ob ich es in meinem Leben sehen werde. Aber ich bin ein alter Mann.“
Der an der Universität Wien ansässige Zeilinger sagte nach der Bekanntgabe telefonisch bei einer Pressekonferenz, er sei „immer noch irgendwie schockiert“, als er hörte, dass er die Auszeichnung erhalten habe.
Clauser, Aspect und Zeilinger sind seit mehr als einem Jahrzehnt Gegenstand von Nobel-Spekulationen. 2010 gewannen sie in Israel den Wolf-Preis, der als möglicher Vorläufer des Nobelpreises gilt.
Das Nobelkomitee sagte, Clauser habe Quantentheorien entwickelt, die erstmals in den 1960er Jahren in ein praktisches Experiment eingebracht wurden. Aspect konnte eine Lücke in diesen Theorien schließen, während Zeilinger ein Phänomen namens Quantenteleportation demonstrierte, das die effektive Übertragung von Informationen über Entfernungen ermöglicht.
„Durch Verschränkung kann man alle Informationen, die ein Objekt trägt, an einen anderen Ort übertragen, wo das Objekt sozusagen rekonstituiert wird“, sagt Zeilinger. Er fügte hinzu, dass dies nur für winzige Partikel funktioniert.
„Es ist nicht wie in den Star-Trek-Filmen (wo man ist), etwas, schon gar nicht die Person, über eine gewisse Distanz zu transportieren“, sagte er.
Eine Woche voller Nobelpreis-Ankündigungen begann am Montag mit dem schwedischen Wissenschaftler Svante Paabo, der am Montag die Auszeichnung in Medizin erhielt für die Entschlüsselung der Geheimnisse der Neandertaler-DNA, die wichtige Einblicke in unser Immunsystem lieferten.
Chemie ist am Mittwoch und Literatur am Donnerstag. Der Friedensnobelpreis wird am Freitag und der Wirtschaftspreis am 10. Oktober bekannt gegeben.
Die Preise sind mit 10 Millionen schwedischen Kronen (fast 900.000 US-Dollar) dotiert und werden am 10. Dezember überreicht. Das Geld stammt aus einem Vermächtnis des Schöpfers des Preises, des schwedischen Dynamit-Erfinders Alfred Nobel, der 1895 starb.
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Jordans berichtete aus Berlin, Borenstein aus Kensington, Maryland und Burakoff aus New York. David Keyton in Stockholm und Masha Macpherson in Palaiseau, Frankreich, trugen dazu bei.
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