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Astronomie+Physik

Quantenverschränkung im kosmischen Test

William Herschel Teleskop
Mit diesem Teleskop fingen die Quantenphysiker das Licht von Quasaren ein. (Foto: Max Alexander/ Isaac Newton Group of Telescopes, La Palma)

Die Verschränkung ist eines der faszinierendsten und wichtigsten Phänomene der Quantenphysik. Denn diese Teilchenkopplung ist mit klassischer Physik nicht erklärbar – falls die Quantenmechanik Recht hat. Jetzt haben Forscher die Quantenverschränkung ihrem bisher strengsten Test unterzogen, indem sie das Licht ferner Quasare als „kosmische Zufallsgeneratoren“ nutzten. Zwei Teleskope auf den Kanareninsel La Palma dienten dabei als Empfangs- und Messstationen. Das Ergebnis: Das weltweit erste Experiment dieser Art hat die Gültigkeit der Quantenmechanik bestätigt.

Albert Einstein bezeichnete das Phänomen der quantenphysikalischen Verschränkung skeptisch als „spukhafte Fernwirkung“. Kein Wunder, mutet diese Verknüpfung der Zustände von Teilchen doch geradezu magisch an. Denn wenn zwei Teilchen miteinander verschränkt sind, dann führt die Zustandsmessung des einen automatisch und unverzüglich zu einer Zustandsänderung des anderen – und dies selbst über große Entfernungen hinweg. Obwohl keinerlei Information zwischen den Quantenteilchen ausgetauscht wird, ist ihr Zustand voneinander abhängig. Mit der klassischen Physik lässt sich diese Verschränkung nicht vereinbaren. Einstein vermutete daher, dass es noch unbekannte Einflüsse geben müsse, die solche Messungen beeinflussen. Doch seither haben spezielle Experimente, sogenannte Bell-Tests, dies schon vielfach widerlegt.

Quasare als kosmische Helfer

Ein Schönheitsfehler blieb allerdings: Alle diese Experimente enthielten „Schlupflöcher“, die es theoretisch ermöglichen würden, gemessene Korrelationen auch ohne die Quantenmechanik zu erklären. Eines der hartnäckigsten Schlupflöcher ist jenes der freien Wahl (freedom-of-choice loophole): Teilchen und Messeinrichtung könnten theoretisch schon vor dem Experiment kausal beeinflusst worden sein. Das Messergebnis wäre dann nicht zufällig zustande gekommen und Einsteins klassische Physik gerettet. Eine Möglichkeit, dieses Schlupfloch zu schließen, haben nun Dominik Rauch vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien und seine Kollegen genutzt. Sie haben das Licht zweier weit entfernter Quasare verwendet, um die Messeinstellungen ihres Verschränkungsexperiments zu bestimmen. Das Licht dieser aktiven Galaxienkerne diente dabei als eine Art kosmischer Zufallsgenerator.

Für ihr Experiment erzeugten die Forscher verschränkte Photonen in einer Anlage auf der Kanareninsel La Palma und sendete die gekoppelten Lichtteilchen anschließend in entgegengesetzte Richtungen. An jedem Ende der Messtrecke wurden diese Teilchen von einem Teleskop eingefangen und ihre Polarisation gemessen. Als Messstationen dienten dabei das William Herschel Telescope und das Telescopio Nazionale Galileo. Der Clou dabei: Den Winkel der Polarisationsmesser an diesen Teleskopen wählten nicht die Wissenschaftler, sondern ein kosmischer Helfer. Denn jedes dieser Teleskope war auf einen Quasar gerichtet und ermittelte die Wellenlänge des von diesem eintreffenden Lichts – ein Quasar lag 7,8 Milliarden Lichtjahre entfernt, der andere 12,2 Milliarden Lichtjahre. Das Quasarlicht bestimmte, in welche Richtung und wie stark das Polarisations-Messgerät bei jeder Messung im Verschränkungsversuch geneigt wurde. Lag die Wellenlänge des Lichts oberhalb eines bestimmten Werts, stellten die Forscher einen Winkel ein, bei blauerem Licht einen anderen.

Verschränkung bestätigt

„Es ist das erste Mal, dass Milliarden Jahre altes Licht aus unserem Universum zum Nachweis der Quantenverschränkung genutzt wurde“, erklärt Seniorautor Anton Zeilinger vom IQOQI. Insgesamt 30.000 Photonenpaare unterzogen er und seine Kollegen diesem kosmischen Bell-Test – und auch diesmal erwies sich die Quantenphysik eindeutig als nicht mit klassischen Einflüssen erklärbar. Die beiden Teleskope registrierten klare Korrelationen im Polarisationszustand der verschränkten Photonen. „Die Wahrscheinlichkeit, dass es verborgene Einflüsse gibt, die eine zur Quantenmechanik alternative Erklärung der Verschränkung liefern, liegt damit bei nahezu Null. Die Wahl der Messeinstellung hätte für unsere Versuchsanordnung lange vor der Entstehung der Erde erfolgen müssen“, sagt Zeilinger. Denn alle lokalen klassischen Einflüsse, die die Messungen beeinflussen und eine Verschränkung vorgaukeln könnte, hätten dann schon das Quasarlicht an dessen Quelle und damit vor mindestens 7,8 Milliarden Jahren prägen müssen.

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Damit hat die „spukhafte Fernwirkung“ auch ihren bisher härtesten Test erfolgreich überstanden. Bedeutsam sind diese Bell-Tests aber nicht nur für die physikalische Grundlagenforschung. Die Verlässlichkeit der Verschränkung spielt auch eine große Rolle für praktische Anwendungen der Quantenoptik. „Die Widerlegung von Schlupflöchern ist von großer Bedeutung für die Quantenkryptografie“, erklärt Zeilinger. „Für den sicheren Austausch quantenverschlüsselter Informationen müssen unbekannte Einflüsse vollständig ausgeschlossen sein.“

Quelle: Dominik Rauch (Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI), Wien) et al., Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.121.080403

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