Was Anton Zeilingers Forschung möglich macht

Es ist fast schon verwunderlich, dass das Nobelpreiskommittee so lange gebraucht hat, um die Errungenschaften der Quantenphysik auszuzeichnen. Große Firmen wie Google und IBM übertrumpfen sich seit Jahren mit ihren Quantencomputern. Die Industrie will damit vor allem unknackbare Verschlüsselung und nicht abhörbaren Informationstransfer schaffen. Die Forschung daran ist durch Anton Zeilingers Arbeit erst möglich.

Quantenmechanik ist ein großes Wort für ein Forschungsgebiet, das einschüchternd und verwirrend sein kann. Es gehört eine große Portion wissenschaftlichen Tatendrangs und Neugier dazu, es zu verstehen. Denn im ersten Schritt muss man sich von den physikalischen Regeln verabschieden, die man einmal im Schulunterricht gelernt hat.

Schrödingers Katze

Quantenphysik findet mit winzigen Teilchen, beispielsweise Photonen, statt. Einer der Begründer der Quantenphysik ist etwa Erwin Schrödinger. Sein berühmtes Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“ soll das aufzeigen. Die Katze befindet sich in einer uneinsehbaren Kiste und es ist unklar, ob die Katze tot oder lebendig ist. Solange niemand die Kiste öffnet, um nachzusehen, ist die Katze gleichzeitig tot und lebendig.

So verhält es sich mit den winzigen Teilchen in der Quantenphysik. Sie haben gleichzeitig mehrere Zustände, beispielsweise „1“ und „0“. Sobald man ihren Zustand misst, „entscheiden“ sie sich zufällig für einen der beiden.

Zwei Teilchen, ein Zustand

Nun ist es möglich, mehrere dieser Teilchen miteinander zu „verschränken“. Albert Einstein nannte das eher abwertend „spukhafte Fernwirkung“. Das spiegelt auch wider, was sich viele denken, wenn man ihnen solche Teilchensysteme erklärt. Sie klingen wie Hokuspokus, öffnen der Menschheit aber die Tür in ein neues Zeitalter der Computer und Forschung.

Gerne werden für Anschauungsbeispiele die beiden Figuren „Alice“ und „Bob“ herangezogen. Man stellt sich vor, es existiert ein Paar Handschuhe und Alice und Bob erhalten jeweils ein Paket mit einem Handschuh dieses Paares. Öffnet Alice ihr Paket und sieht, dass sie den linken Handschuh hat, ist es zu 100 Prozent sicher, dass Bob den rechten Handschuh haben muss – egal, ob er sein Paket schon geöffnet hat oder nicht. Ob sich die beiden dafür im gleichen Haus, der gleichen Stadt oder irgendwo auf der Erde befinden, ist egal.

Ähnlich geht es auch den Quantenteilchen. Wenn sie einmal miteinander interagieren - zum Beispiel wenn sie sich berühren - sind sie verschränkt. Statt sie sich als zwei separate Teilchen vorzustellen, sind sie nun ein System, das verbunden bleibt, egal wo sich die Einzelteile befinden. Misst man eines der Teilchen, weiß man aber immer, welchen Zustand das andere Teilchen hat.

"Teleportation" - aber nicht wie in Star Trek

Das ist die Grundlage der Forschung, die Anton Zeilinger den Nobelpreis einbrachte. Denn er nutzte diese Verschränkung, um die Zustände der Teilchen zu beeinflussen. Das wird zwar „Teleportation“ genannt, der Begriff ist aber durch Serien wie Star Trek so stark popkulturell geprägt, dass er einen falschen Eindruck dessen vermittelt, was tatsächlich passiert. Denn ein Teilchen wird nicht wie in der Serie von Raumschiff-Ingenieur Scotty von einem Ort zum anderen gebracht.

Zeilinger und seinem Team ist es vielmehr gelungen, einen bestimmten Quantenzustand von einem Photon A auf ein weit entferntes anderes Photon B zu übertragen. Zuerst in einem Laborversuch in Innsbruck, später im ersten großen Versuch außerhalb des Labors. Das geschah über eine Strecke von 600 Metern unter der Donau hindurch.

Dafür wurde ein drittes Photon C genutzt, das den Zustand von A zu B „transportierte“. A wurde erst mit C verschränkt, C wurde unter der Donau verschickt und verschränkte sich dort auch mit B. Damit sind A und B verschränkt, ohne sich je getroffen zu haben.

Kommunikation von Quantencomputern

Dieses bahnbrechende Experiment ist die Grundlage für eine neue Art von Kommunikation. Quantencomputer können das nutzen, um Informationen zu übertragen. Die Teilchen heißen im Quantencomputer „Qubits“. Sie können nicht wie Dateien bei einem normalen Computer von einem System zum nächsten kopiert werden.

„Man kann das nicht mit einem herkömmlichen Netzwerkkabel übertragen, sondern verschränkt die beiden Quantencomputer“, erklärt Gregor Weihs, Leiter des Instituts für Experimentalphysik an der Uni Innsbruck im Gespräch mit der futurezone. Er arbeitete schon 1996 mit Anton Zeilinger zusammen und war an dessen Experimenten beteiligt, die nun ausgezeichnet wurden.

Die Daten auf Quantencomputer A sind durch die Verschränkung mit denen auf Quantencomputer B verknüpft. Ist das einmal geschehen, können Informationen zwischen ihnen übertragen werden. Aber auch die Übertragung von Informationen zwischen Qubits auf einem einzigen Quantencomputer passiert so.

GPS, Verschlüsselung und Forschung

Ein Einsatzgebiet könnte die Verbesserung von GPS sein, erklärt Weihs. Jeder GPS-Satellit besitzt auch eine Atomuhr, dadurch wird die Uhrzeit so exakt wie möglich mit einer Position abgeglichen. „Neue Atomuhren wurden dramatisch durch Quantentechnologie verbessert. Wenn die Genauigkeit der Uhren steigt, steigt auch die Genauigkeit des GPS“, sagt Weihs. Würden die Atomuhren der Satelliten mit Quantentechnologie ausgestattet, könnten sie Positionen viel genauer bestimmen.

Zeilinger selbst nennt die abhörsichere Quantenverschlüsselung als mögliche Anwendung. Auch in der Forschung gebe es bereits Möglichkeiten, etwa um Simulationen von Molekülen und Atomen herzustellen, die die Kapazität von Supercomputern übertreffen. Für die Allgemeinheit bleibt die Nutzung von Quantentechnologie aber noch eine ganze Weile in weiter Ferne.