Gesundheit : 100 Jahre Quantenphysik: "Die Welt von morgen ist nicht vorbestimmt"

Vor 100 Jahren stellte Max Planck die Hypothese au

Anton Zeilinger hat in den vergangenen Jahren viele Experimente gemacht, die die Grenzen der klassischen Physik sprengen. Der Physiker der Universität Wien zeigte unter anderem erstmals, dass sich Informationen völlig abhörsicher übertragen lassen. Bereits vorher hatte er nachgewiesen, dass es möglich ist, die identische Kopie eines Objekts an einem fernen Ort zu erzeugen, es gleichsam dorthin zu "beamen".

Vor 100 Jahren stellte Max Planck die Hypothese auf, dass ein heißer Körper seine Energie nicht kontinuierlich abstrahlt, sondern in kleinen Portionen abgibt. Planck nannte diese Portionen Quanten und gab damit einer neuen Theorie ihren Namen. Sehr glücklich war er über diese Entdeckung jedoch nicht. Warum nicht?

Ich vermute, weil er damit die Vorstellung aufgeben musste, dass alle Phänomene in der Natur kontinuierlich ablaufen.

Und das war so bedrohlich?

Die ganz Großen damals - und dazu zähle ich Planck, Einstein und auch Niels Bohr und Erwin Schrödinger - haben wohl erkannt, dass diese Aufgabe des Kontinuums letztlich eine Änderung unseres Weltbildes bedeutet. Insbesondere sahen sie das Problem, dass wir damit für das einzelne Ereignis keine Ursache mehr angeben können. Aber meines Wissens nach hat erst Einstein entdeckt, dass der einzelne Quantensprung rein zufällig ist, und zwar in Zusammenhang mit dem lichtelektrischen Effekt. Er hat dies, so weit bekannt ist, im Jahr 1909 erstmals bei einer Tagung in Salzburg ausgedrückt.

Bereitet Ihnen dieser Gedanke heute noch Unbehagen?

Nein, ich finde es sogar umgekehrt eine sehr positive Eigenschaft der neuen Weltsicht, dass eben nicht alles nach klaren Ursache-Wirkungs-Prinzipien abläuft. Die Welt von morgen ist nicht einfach vorbestimmt durch die Welt von heute.

Vielleicht liegt das daran, dass Sie mit der Quantentheorie groß geworden sind. Planck hat einmal gesagt, dass sich eine neue Theorie nicht durchsetzt, weil man ihre anfänglichen Gegner überzeugt, sondern weil diese aussterben.

Was Sie da sagen, das gilt natürlich noch viel mehr für meine Studenten. Die Experimente mit einzelnen Quanten haben in letzter Zeit stark zugenommen. Für die Studenten ist die Quantenmechanik etwas völlig Selbstverständliches.

Einstein dagegen hat zwar wenige Jahre nach Planck die Quantenhypothese bestätigt ...

und dafür hat er ja auch den Nobelpreis bekommen - nicht für die Relativitätstheorie, wie viele Leute glauben ...

dann aber wurde Einstein zum erbitterten Gegner der Quantentheorie.

Er war für lange Zeit der Einzige, der erkannte, welche tiefen Änderungen damit verbunden sind. Man kann das sehr schön in den Ausführungen zum Einstein-Podolski-Rosen-Paradoxon oder seinen autobiografischen Notizen nachlesen. Einstein diskutiert das ganz konkret an einem System mit Lichtquanten, so genannten verschränkten Photonen. Sie können über große Distanzen voneinander getrennt sein, aber eine Messung an Teilchen A bestimmt augenblicklich den Zustand des Teilchens B. Das stand im Widerspruch zu seinen eigenen Bildern von Raum und Zeit. Keine Wirkung sollte von A nach B gelangen können, ohne dass sie den Raum dazwischen in irgendeiner Form zurücklegt. Eine Fernwirkung, die ohne Zeitverzögerung vonstatten geht, hat Einstein Zeit seines Lebens ausgeschlossen.

Sie sprechen hier eine Besonderheit der Quantentheorie an, dass sie nämlich - wie im Falle der beiden Lichtteilchen - Ganzheiten beschreibt, in denen alles mit allem zusammenhängt.

Da wäre ich vorsichtiger. Ich würde nicht behaupten, dass die Quantentheorie Systeme beschreibt, in denen alles mit allem zusammenhängt, sondern nur manches mit manchem, Eigenschaften zum Beispiel wie die Energie von A und B. Es gibt Leute, die auf solchen Vorstellungen gleich ein holistisches Weltbild aufbauen. Das wäre überzogen.

Sie haben in Experimenten gezeigt, dass solch seltsame quantenmechanische Eigenschaften auch bei recht großen, fußballähnlichen Kohlenstoffmolekülen zu beobachten sind. Gibt es eine Grenze zwischen der Welt, die unseren primären Erfahrungen zugänglich ist, und einer Welt, die sich diesen Erfahrungen verschließt?

Absolut nicht. Es gibt in der Theorie keinerlei vorgegebene Grenze.

Die Quantentheorie lässt sich also nicht auf das einschränken, was wir als Mikrokosmos bezeichnen?

Das genau soll in einem neuen Forschungsprojekt beantwortet werden, das gerade läuft. In vielen Köpfen geistert nach wie vor das Vorurteil herum, dass die Quantentheorie auf kleine Systeme begrenzt ist. Ich meine, dass es in den nächsten Jahren eine Entwicklung hin zu immer größeren Objekten geben wird.

Wie weit wird man kommen?

Sicherlich bis zur Größe von Viren. Ich glaube nicht, dass man schon vorher eine praktische Grenze erreichen wird.

Nun machen auch Sie die meisten Experimente mit sehr kleinen Objekten. Sie arbeiten mit verschränkten Lichtteilchen, die, einmal gemeinsam entstanden, selbst dann noch eine Einheit bilden, wenn sie schon weit voneinander entfernt sind. Und es ist Ihnen geglückt, diese Lichtteilchen für faszinierende Anwendungen zu benutzen. Ihre Forschungsgruppe hat als erste das "Beamen" realisiert. Und in diesem Jahr haben Sie erstmals Informationen absolut abhörsicher übertragen. Das Experiment erscheint für die Kommunikationstechnik geradezu revolutionär. Können Sie es näher erläutern?

Es ist wirklich verblüffend. Wir sehen nun, dass aus einer zunächst rein philosophisch motivierten Arbeitsrichtung plötzlich etwas entsteht, von dem viele Leute hoffen, dass es die Grundlage einer neuen Technologie wird. Das betrifft nicht nur die Quantenkryptographie, die Sie angesprochen haben, sondern auch den Quantencomputer.

Was hat man sich unter der Quantenkryptographie vorzustellen?

Zwei Personen, nennen wir sie Alice und Bob, brauchen einen gemeinsamen Schlüssel, mit dem sie die Nachricht kodieren, die sie austauschen wollen. Alice verschlüsselt die Nachricht, Bob entschlüsselt sie wieder. Niemand sollte dabei einen Zugang zu diesem Schlüssel haben, um sie abzuhören. Diesen Schlüssel haben wir quantenmechanisch erzeugt. Die Nachricht, die wir übermittelt haben, war ein Bild der berühmten "Venus von Willendorf", einer kleinen Figur, 24 000 Jahre alt, die in der Nähe von Wien gefunden wurde.

Was macht Sie so sicher, dass die Übertragung des Bildes völlig abhörsicher ist?

Jeder, der die Nachricht abhören will, müsste dazu irgendeine Messung machen. Jede Messung aber würde eine Aufhebung der quantenmechanischen Verschränkung bedeuten.

Sie würde also die Einheit der Lichtteilchenpaare aufheben?

Richtig! Und das könnten Alice und Bob sehen. Die Sicherheit der Methode ist durch Naturgesetze verbürgt. Wenn ich irgendeine hoch sensitive Nachricht übermitteln will, dann ist die Quantenkryptographie die Methode der Wahl.

Und damit lassen sich Daten auch über große Entfernungen hinweg verschicken?

Weil Lichtteilchen auf dem Weg verloren gehen, liegt das Limit momentan ungefähr bei 50 Kilometern, vielleicht auch etwas weniger.

Können Sie sich vorstellen, dass die Quantenkryptographie in absehbarer Zeit in der Telekommunikation eine Rolle spielen wird?

Ich glaube schon. Man müsste natürlich stärkere Quellen für die Lichtteilchen haben und die Photonen mit größerer Effizienz nachweisen können. Aber das sind nur Fragen der technischen Entwicklung.

Die Quantenmechanik hat unseren Alltag in den vergangenen 100 Jahren mehr und mehr verändert. Man denke nur an Laser in CD-Playern oder an der Supermarkt-Kasse, die ohne diese Theorie nicht denkbar wären. Was erwartet uns in den kommenden 100 Jahren?

Ich glaube, dass wir eine Technologie bekommen werden, die nicht nur auf der Quantenmechanik beruht, wie beim Laser oder den Halbleitern, sondern eine, bei der die Quantentheorie viel direkter zutage tritt. Ich glaube, dass wir uns auf eine Quanteninformationstechnologie einstellen sollten.

Wird dem Laien die Quantentheorie dann noch rätselhafter erscheinen?

Ich glaube, es wird ihm so gehen wie den Physikern, die sich in diesem Jahrhundert mit der Quantentheorie auseinandergesetzt haben: Er wird einen intuitiven Zugang dazu entwickeln, was letztlich ja auch ein gewisses Verständnis bedeutet.

Und niemand wird mehr, wie einst Einstein, immer neue Gedankenexperimente ersinnen, um die Theorie zu widerlegen?

Ich hoffe, dass es solche Leute weiterhin geben wird, die sich nicht damit zufrieden geben, dass man die Dinge ausrechnen kann, sondern fragen: Was heißt das? Was hat das für Konsequenzen?

Und solche, die die Quantenmechanik überhaupt nicht mögen.

Ein Freund von mir, ein Physiker aus New York, hat einmal gesagt, irgendwo teile er die Kritik der Leute, die die Quantenmechanik nicht mögen. Aber er ist überzeugt davon, dass, sollte die Quantenmechanik irgendwann einmal durch eine andere Theorie abgelöst wird, diese Theorie dann noch verrückter sein wird.

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