Zwillingsforschung

Im Jahr 1935 holte Einstein zu seinem letzten großen Schlag gegen die Quantentheorie aus. Er wollte beweisen, dass die Dinge unabhängig von einem Beobachter eine objektive Realität besitzen. Intuitiv geben wir Einstein sofort Recht. Denn ein Auto zum Beispiel hat natürlich auch dann eine bestimmte Geschwindigkeit, wenn der Tachometer ausgefallen ist und wir sie deswegen nicht messen können. Die Quantentheorie behauptet aber, dass der Zustand mikroskopischer Objekte vor einer Messung nicht nur nicht bekannt, sondern völlig unbestimmt ist. Um diese Behauptung als unsinnig zu entlarven, erdachte Einstein gemeinsam mit seinen Mitarbeitern Boris Podolsky und Nathan Rosen ein Gedankenexperiment, das nach den Anfangsbuchstaben seiner Erfinder als EPR-Argument in die Geschichte eingegangen ist.

In einer modernen Version funktioniert das Gedankenexperiment so, dass Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge einen Kristall mit speziellen optischen Eigenschaften durchquert. Dabei entstehen im Kristall Paare von Lichtteilchen (Photonen). Gleich nachdem sich ein Paar gebildet hat, fliegen die beiden Photonen aber wieder in unterschiedliche Richtungen auseinander. Den Regeln der Quantentheorie zufolge sind die Polarisationsrichtungen dieser "Zwillings-Photonen" unbestimmt. Das bedeutet: Erst im Augenblick der Messung "entscheidet" sich das Licht für eine bestimmte Polarisation. Allerdings weiß man aufgrund physikalischer Erhaltungssätze, dass die Polarisationsrichtungen beider Photonen immer senkrecht aufeinander stehen.

Im Wellenbild ist das Licht eine Welle, deren Schwingungsebene in eine bestimmte Richtung zeigt.

Bildbeschreibung:
Im Wellenbild ist das Licht eine elektromagnetische Welle, deren Schwingungsebene in eine bestimmte Richtung zeigt. Diese läßt sich leicht mit einem Polarisationsfilter (z. B. einem "Pol-Filter" eines Fotoapparates) herausfinden. Er wirkt wie ein sehr feines Gitter, das die Lichtwelle nur durchqueren kann, wenn ihre Schwingungsebene parallel zu den "Gitterstäben" des Polarisationsfilters ausgerichtet ist. Geht man vom Wellen- ins Teilchenbild über, sprechen die Physiker ebenfalls von einer bestimmten Polarisationsrichtung eines Photons (Lichtteilchens).
(Grafik: iser und schmidt)

Das führt zu einer merkwürdigen Konsequenz: Wenn die Polarisationsrichtung nur eines Photons gemessen wird, muss im gleichen Augenblick auch die Polarisationsrichtung des Zwillingsteilchens festgelegt sein (nämlich senkrecht zu der gemessenen). Einstein, Podolsky und Rosen sahen darin einen Widerspruch zur Relativitätstheorie. Denn man könnte rein theoretisch so lange warten, bis die beiden Photonen sich an entgegengesetzten Enden des Universums befänden. Misst man dann das eine Photon, wird sich dieses ganz zufällig für eine Polarisationsrichtung entscheiden. Damit wäre aber auch die Polarisationsrichtung des Zwillings automatisch festgelegt (eben senkrecht dazu). Das erste Photon müsste also dem Zwilling mit Überlichtgeschwindigkeit (nämlich augenblicklich!) mitteilen, für welche Richtung es sich entschieden hat. Da die Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit laut Relativitätstheorie aber verboten ist, schlossen Einstein, Podolsky und Rosen, dass der Zustand jedes Photons schon vor der Messung festgelegt sein müsse.

Zu Einsteins Zeit ließen sich die Widersprüche des EPR-Arguments nicht auflösen. Erst 1982 gelang es dem französischen Physiker Alain Aspect in Paris, die von Einstein bezweifelte "spukhafte Fernwirkung" im Laborversuch glaubhaft zu bestätigen! Insbesondere konnte er nachweisen, dass der Zustand der Photonen tatsächlich vor der Messung nicht durch "verborgene Variablen" festgelegt ist. Forschern um Nicolas Gisin von der Universität Genf gelang es (mit einem etwas komplizierten Experiment) in jüngster Zeit sogar, diese "heimliche Absprache" zwischen Photonen über eine Entfernung von 10 Kilometern nachzuweisen. Das Zwillingspaar wurde so aufgeteilt, dass ein Photon die Strecke zwischen Genf und Bellevue durchlief, während das andere Photon sich auf den Weg nach Bernex machte. Kurz vor dem Ende der Rennstrecke durchlief jedes Photon einen Meßapparat, in dem es die Wahl zwischen mehreren Ausgängen hatte. Wählte beispielsweise eines den rechten Ausgang, so tat der Zwilling das Gleiche. Im Jahr 2008 erweiterte Gisins Team das Experiment sogar noch. Dieses Mal schickten die Forscher die verschränkten Photonen von Genf nach Satigny und Jussy, die voneinander 18 km entfernten liegen. Die Wissenschaftler konnten nicht nur ein weiteres Mal die rätselhafte Verbundenheit der Photonen bestätigen. Durch Berücksichtigung der West-Ost-Achse, auf der die beiden Orte annähernd liegen, und der Erdrotation zeigten sie zudem, dass der Austausch zwischen den Photonen, wenn er nicht unendlich schnell sein sollte, mit mindestens 10.000 facher Lichtgeschwindigkeit erfolgen muss. Solch ein endlich schneller Austausch zöge außerdem eine weitere Konsequenz nach sich. Zwar wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts experimentell ausgeschlossen, dass ein universelles Bezugssystem, das sich gegenüber allen anderen physikalischen Bezugssystemen auszeichnet, für klassische Informationen existiert. Doch wenn die "Quanteninformation" zwischen den Photonen nicht insta ntan ausgetauscht werden sollte, müsste es als Folge einen "Quantenäther" geben.

Experimenteller Aufbau zur Erzeugung von Paaren aus Zwillingsphotonen.

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Experimenteller Aufbau zur Erzeugung von Paaren aus Zwillingsphotonen. Der Kristall, in dem die verschränkten Photonen erzeugt werden, befindet sich im Kreuzungspunkt der Laserstrahlen. (Quelle: Universität Innsbruck/plus49, Marc Steinmetz)

Wie aber lässt sich dieses außergewöhnliche Verhalten erklären, wenn eine Übertragung von Informationen mit Überlichtgeschwindigkeit laut Einsteins Relativitätstheorie ausgeschlossen ist? Die Antwort lautet: Es wird gar keine Information übertragen! Vielmehr verhalten sich die Zwillingsphotonen wie ein Würfelpaar, das bei jedem Wurf gleiche Augenzahl zeigt. Da das Ergebnis eines solchen Experiments völlig zufällig ist, lässt sich dieses Phänomen nicht dazu benutzen, irgendwelche sinnvollen Daten zu übermitteln. Man kann mit solch einer Apparatur also zum Beispiel nicht "morsen". Die Wissenschaftler erklären den erstaunlichen Ausgang der Experimente damit, dass zwei Teilchen, die einmal miteinander in Wechselwirkung getreten sind, offenbar zu Bestandteilen eines unteilbaren Systems werden. Erwin Schrödinger hat dafür den Begriff der Verschränkung geprägt. Dieses zunächst nur hypothetische Konzept ist inzwischen durch zahlreiche Forschungsarbeiten bestätigt worden. An der Ecole Nationale Supérieure in Paris konnte eine Forschergruppe um Serge Haroche nachweisen, dass es nicht nur verschränkte Photonen, sondern auch verschränkte Atome gibt. Der Gruppe von Anton Zeilinger in Wien gelang es in diesem Jahr sogar, vier Lichtteilchen miteinander zu verschränken. Eines der spannendsten Experimente, die auf der Verschränkung von Teilchen beruhen, ist die "Teleportation" von Quantenzuständen.

Verschränkung:

Teilchen, die einmal in Wechselwirkung gestanden haben, lassen sich nicht mehr als getrennte
Objekte betrachten, selbst wenn sie räumlich weit voneinander entfernt sind. Die atomare
Wirklichkeit besteht demnach aus ausgedehnten "Quantenobjekten", die nur als Ganzheit
beschrieben werden können.

Verschränkte Photonen sichtbar gemacht.

Bildbeschreibung:
Verschränkte Photonen sichtbar gemacht. Diese Aufnahme (in Falschfarben) zeigt Licht aus einem Kristall, in dem Photonenpaare erzeugt werden. Dabei entsteht Licht in unterschiedlichen Frequenzen, das sich kegelförmig ausbreitet. Von vorne sieht man deshalb verschiedene Ringe. Ein Photonenpaar, das die Überlappungsstelle zweier gleichfarbiger Ringe auf dem Film der Kamera erzeugt hat, lag in einem verschränkten Zustand vor.

"Beam me up, Scotty!"

Wenn dieser Funkspruch den Transporterraum der Enterprise erreicht, wissen "Star-Trek"-Fans, dass sich im nächsten Augenblick Captain Kirk und seine Begleiter im Raumschiff materialisieren werden. Zwar gehört diese Vorstellung nach wie vor in den Bereich der Science Fiction, aber Charles Bennett vom IBM Forschungslabor in Yorktown Heights, USA, hat bereits 1993 einen ernstzunehmenden Vorschlag gemacht, wie die "Teleportation" sich physikalisch realisieren ließe. Dabei spielte die Verschränkung zwischen Zwillingsphotonen eine zentrale Rolle. Bennetts Idee wurde 1997 von Anton Zeilingers Gruppe erfolgreich umgesetzt: Ihnen gelang die erste Teleportation eines Photons. Inzwischen ist die Teleportation auch bei anderen Objekten gelungen. Jeff Kimble am Caltech in Pasadena, USA, teleportierte beispielsweise ein Lichtfeld mit Hilfe zweier verschränkter Lichtstrahlen. Sein Kollege Raymond Laflamme in Los Alamos teleportierte hingegen den Zustand eines Atoms auf ein anderes. Obwohl beide Atome nur eine kurze Strecke voneinander entfernt waren - sie befanden sich innerhalb desselben Moleküls - könnte auch diese Art der Teleportation nützlich sein. Die Forscher glauben, dass so die Datenverarbeitung in künftigen Quantencomputern vonstatten gehen könnte.

Beamen für Anfänger Dialog zwischen Alice (Sender) und Bob (Empfänger)

Der Weltraum: unendliche Weiten.

Bildbeschreibung:
Der Weltraum: unendliche Weiten. Ob sich das Beamen "die wohl eleganteste aller Reisemöglichkeiten" doch irgendwann durchsetzen wird, steht in den Sternen.

Alice ist Physikerin. Ihr Freund Bob studiert noch. Beide sind in verschiedenen Laboratorien. Sie verständigen sich per Telefon.

Alice: Hallo Bob. Ich habe gerade zwei Zwillingsphotonen erzeugt. Wollen wir damit mal eine Teleportation versuchen?
Bob: Gut, dann schick mir eins von deinen Zwillinsphotonen rüber! Was könnten wir denn teleportieren?
Alice: Ich habe hier noch ein einzelnes Photon, das sich zur Teleportation eignen könnte. Nennen wir es "Spock".
Bob: Kannst du mir Spock beschreiben?     
Alice: Das würde ich gern, aber wenn ich eine Messung vornehme, zerstöre ich seinen ursprünglichen Zustand.
Bob: Stimmt. Aber findest du es nicht ziemlich verrückt, dass du mir etwas teleportieren willst, das du gar nicht kennst?
Alice: Das ist ja gerade das Besondere an der Teleportation! Auch die Vorstellung, dass etwas bei mir verschwindet und bei dir wieder erscheint, ist nicht ganz richtig. Ich möchte vielmehr erreichen, dass Spocks Zustand sich auf dein Zwillingsphoton überträgt.
Bob: Wie soll das gehen?
Alice: Ganz einfach - ich stecke ihn zusammen mit meinem Zwillingsphoton in eine Messapparatur.
Bob: Aber damit veränderst du ihn doch auch?
Alice: Ja, aber du wirst sehen, dass du nachher Spocks ursprünglichen Zustand wieder erzeugen kannst. Wichtig ist hier erstmal, dass Spock durch diese Messung nun auch mit deinem Zwillingsphoton verknüpft ist!
Bob: Ah, auf diese Weise teleportierst du also Spocks Zustand zu mir?
Alice: Genau. Und dann bist du dran. Ich rufe dich nämlich an und sage dir das Ergebnis, das bei der Messung von Spock mit meinem Zwillingsphoton herausgekommen ist. Das kannst du dazu verwenden, Spocks ursprünglichen Zustand schließlich mit Hilfe einer weiteren Messung zu rekonstruieren.
Bob: Ich seh schon, über die Details werden wir noch etwas länger reden müssen... Dass es ohne diesen Telefonanruf von dir nicht geht, ist natürlich schade. Ich hatte schon gehofft, wir könnten doch Informationen mit Überlichtgeschwindigkeit senden. Glaubst du, wir werden bald mal etwas größeres als ein Photon teleportieren können?
Alice: Gut möglich. Aber schon bei Gegenständen von der Größe einer Kaffeetasse geht nichts mehr: Wir würden dafür eine Zeit benötigen, die das Alter des Universums weit übersteigt!

Keine Chance für Spione.

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Keine Chance für Spione. Bei der "Quantenkryptographie" wird ein Schlüssel für die Chiffrierung von Daten erzeugt, wobei Alice und Bob sicherstellen können, dass niemand ihre Leitung angezapft hat. Eine weitere Besonderheit bei diesem Verfahren besteht darin, dass der produzierte Schlüssel rein zufällig ist und keinerlei Muster enthält. Wählt man ihn nur genügend lang, kann man die damit chiffrierten Daten praktisch nicht "knacken".

Quantenkryptographie

Eine der ersten praktischen Anwendungen solcher Quantenzaubereien zeichnet sich in der Kryptographie ab - der Kunst, wie man geheime Nachrichten verschlüsselt. Das Prinzip beruht darauf, dass man den Code, den man zur Verschlüsselung und späteren Dechiffrierung der geheimen Daten braucht, über Photonenpaare erzeugt. Alice besitzt dafür eine Apparatur, die Paare von Zwillingsphotonen herstellt. Das eine Photon wird jeweils von Alice gemessen, das zweite an Bob übermittelt und dort gemessen. Da ein Zwillingsphotonenpaar quasi einem Paar von Würfeln ähnelt, die immer die gleiche Augenzahl zeigen, können sich Alice und Bob so über einen Schlüssel für die spätere Datenübermittlung verständigen. Wenn Alice das eine Zwillingsphoton an Bob übermittelt, kann ein Lauscher in der Leitung leicht entlarvt werden, wenn man ein bestimmtes, etwas kompliziertes Verfahren anwendet. Das Grundprinzip ist jedoch einfach: das Abhören entspricht nämlich einer Messung, die den Zustand des Zwillingsphotons verändern kann. Die Besonderheit des Verfahrens liegt also nicht darin, dass es abhörsicher ist, sondern dass Alice und Bob den Lauscher bemerken (und dann noch einmal von vorn anfangen können). Die Anwesenheit des ungebetenen Mithörers stellen beide während eines Telefonats fest, in dem sie zufällig ausgewählte Ergebnisse aus ihren Messprotokollen miteinander vergleichen. Schon bei einem Abgleich von nur 10 bis 15 wahllos herausgegriffenen Messwerten ist es sehr wahrscheinlich, ein von einem Lauscher verändertes Photon festzustellen. Ist kein Fehler aufgetreten, streichen Alice und Bob die Test-Messwerte einfach aus dem Protokoll und verwenden den verbliebenen Code dann zum Senden der eigentlichen Nachrichten.

Original, verschlüsselt, entschlüsselt.

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Original - verschlüsselt - entschlüsselt

Dass dieses Prinzip funktioniert, ist mehrfach experimentell bestätigt worden. Die Gruppe von Nicolas Gisin an der Universität Genf hat die Praxistauglichkeit des Verfahrens vor drei Jahren bewiesen, indem sie verschlüsselte Nachrichten durch ein Glasfaserkabel der Swisscom unter dem Genfer See hindurchschickte. Allerdings läßt sich der abhörsichere Code nicht an zwei weit voneinander entfernten Orten erzeugen. Denn dazu müsste man den "Strom" der Photonen verstärken - und diese Verstärkung entspricht (ebenso wie das Lauschen) einer Messung! Den bisherigen Streckenrekord über 40 Kilometer hält eine Forschergruppe um Richard Hughes in Los Alamos.

Dennoch könnte die Quantenkryptographie für den innerstädtischen Bereich oder innerhalb begrenzter Sicherheitsbereiche, beispielsweise in Ministerien, funktionieren: "Die Industrie zeigt an diesem Verfahren zunehmend Interesse", sagt Harald Weinfurter von der Universität München. In seiner Arbeitsgruppe wird zur Zeit ein Modul entwickelt, das für Strecken zwischen zwei und fünf Kilometern geeignet ist. Ist ein solches Gerät erst einmal in Betrieb, dann müssen sich Spione in acht nehmen. Sie könnten nämlich mit großer Wahrscheinlichkeit noch während des Lauschangriffs gefasst werden.