Science
20.08.2018

Quantenschlupfloch mit extrem altem Licht geschlossen

Ein Team um den österreichischen Quantenphysiker Anton Zeilinger nutzt Milliarden Jahre altes Licht für Verschränkung.

Zwei oder mehrere Quantenobjekte, die verschränkt sind, verfügen über eine besondere Verbindung. Selbst wenn sie extrem weit voneinander entfernt sind, ist der Zustand eines beteiligten Partners von einer Messung, die an anderen Partnern vorgenommen wird, abhängig. Die Wirkung tritt dabei ohne Verzögerung ein, eine Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit ist aber trotzdem nicht möglich.

Seit Physiker das Phänomen kennen, wissen sie, dass es einige Schlupflöcher gibt, die Verschränkung erklären könnten, ohne dass eine Messung an einem Partner über beliebige Distanzen sofortige Auswirkungen auf einen anderen Partner hat. Solche Schlupflöcher basieren meist auf versteckten Variablen, die die Messungen an den verschränkten Teilchen beeinflussen.

Wahlfreiheit

Ein solches Schlupfloch ist das "freedom-of-choice-loophole", das davon ausgeht, dass die zu messenden Quantenobjekte und die Messeinrichtung vor dem Experiment durch unbekannte Faktoren beeinflusst werden können, wodurch die Messergebnisse ohne die "spukhafte Fernwirkung, wie Einstein die Verschränkung nannte, erklärt werden könnten.

Ein internationales Forschungsteam um den Physiker und Präsidenten der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) Anton Zeilinger hat dieses Schlupfloch jetzt deutlich geschrumpft. Sie haben ein Experiment aufgebaut, das das Licht von weit entfernten Quasaren - das sind die strahlungsintensiven Kerne von Galaxien -  als Zufallsgenerator für ihre Messungen an verschränkten Teilchen genutzt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.

„Wir mussten bei unserem Experiment sicherstellen, dass die Entscheidung, wie die verschränkten Teilchen gemessen werden, völlig unabhängig von uns und unserer Umgebung getroffen wird“, erklärt Erstautor Dominik Rauch, der am Wiener Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW und an der Universität Wien forscht. „Das von Menschen, der Erde und fast unserer gesamten Vergangenheit völlig unabhängige Licht aus dem All ist dafür ideal geeignet, und so konnten wir die weit entfernten Quasare als kosmische Zufallsgeneratoren einsetzen.“

Uraltes Licht

Dadurch wird sichergestellt, dass kein versteckter Faktor die Messungen beeinflusst. Das Licht, das die Forscher als Zufallsgeneratoren verwendeten, stammt von zwei Quasaren, die acht beziehungsweise 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegen. Die Forscher nutzten die schwankende Energie der Lichtteilchen der Quasare, um ihre Messeinstellungen zufällig auszuwählen.

Ein versteckter Einfluss hätte seine Wirkung in dieser Konstellation schon vor Jahrmilliarden entfalten müssen, um die heutigen Messergebnisse ohne spukhafte Fernwirkung zu erklären. So konnten die Forscher erstmals nachweisen, dass sich ein unbekannter Einfluss auf die Messergebnisse verschränkter Teilchen aus 96 Prozent des Universums seit dem Big Bang ausschließen lässt. Für ihr Experiment nutzten die Wissenschaftler zwei der größten Weltraumteleskope Europas: das William Herschel Telescope und das Telescopio Nazionale Galileo, die sich auf der Kanareninsel La Palma befinden.

„Es ist das erste Mal, dass Milliarden Jahre altes Licht aus unserem Universum zum Nachweis der Quantenverschränkung genutzt wurde. 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 Quantenphysiker Anton Zeilinger, der auch die Wichtigkeit des Experiments für quantenphysikalische Anwendungen betont: „Die Widerlegung von Schlupflöchern ist von großer Bedeutung für die Quantenkryptografie. Für den sicheren Austausch quantenverschlüsselter Informationen müssen unbekannte Einflüsse vollständig ausgeschlossen sein.“