Wissen: Rätselhafte Zwillinge

Die kleinsten Bausteine unserer Materie verhalten sich wirklich seltsam – zumindest, wenn man nach dem gesunden Menschenverstand geht. Ein Quantenteilchen, etwa ein Elektron, kann zur selben Zeit an mehreren Orten sein und mehrere Geschwindigkeiten haben. Das heißt, es ist zugleich hier und dort, zugleich langsam und schnell. Experimente haben gezeigt, dass Photonen (Lichtteilchen) eine Versuchsanordnung durchfliegen und dabei mehrere Wege gleichzeitig nehmen.

Eines der größten Rätsel der Quantenphysik ist jedoch die Verschränkung. Diese seltsame Verbindung zwischen zwei Quantenteilchen kann man sich etwas anschaulicher mit zwei Würfeln vorstellen: Angenommen, es gäbe eine Maschine, die auf Knopfdruck zwei verschränkte Würfel ausspuckt. Sie würfeln mit einem davon und erhalten die Augenzahl Eins, im selben Moment zeigt der andere Würfel auch Eins. Sie wiederholen den Versuch und würfeln eine Drei, der andere Würfel zeigt ebenfalls Drei. Sie versuchen es noch einmal, nehmen einen Würfel, fahren in eine andere Stadt und würfeln dort eine Sechs. Sie kehren nach Hause zurück, wo Sie den anderen Würfel gelassen haben – und sehen, dass dieser nun auch Sechs zeigt. Das ist Verschränkung.

Zwei Teilchen, die miteinander verschränkt sind, hängen wie durch einen Zauber zusammen. Misst man den Zustand des einen, ändert sich augenblicklich der Zustand des anderen. Man kann die Teilchen beliebig weit voneinander entfernen und auf jede Weise voneinander abschirmen. Trotzdem: Sobald man eines beeinflusst, reagiert das andere. Diese „spukhafte Fernwirkung“, wie sie Einstein nannte, findet ohne Zeitverzug statt, mit unendlich großer Geschwindigkeit. Das scheint der Relativitätstheorie zu widersprechen, der zufolge sich nichts schneller bewegen kann als Licht.

Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen waren die ersten, die die Verschränkung beschrieben, vor mittlerweile 65 Jahren. Obwohl Einstein also einer der Entdecker der Verschränkung war, mochte er sie nicht besonders, denn sie widersprach seinem Weltbild. „Einstein hatte gehofft, dass es eine Möglichkeit gibt, eine neue Physik zu finden, wo diese spukhafte Fernwirkung nicht auftritt“, schreibt der österreichische Quantenphysiker Anton Zeilinger.

Die Hoffnung erfüllte sich nicht. Mittlerweile haben Physiker in vielen Experimenten gezeigt, dass Paare von Teilchen verschränkt sein können, etwa Photonen, Elektronen, Protonen, Atome oder sogar Atomwolken.

Physikern aus Deutschland, Frankreich und Spanien ist es nun erstmals gelungen, verschränkte Elektronen in einem Festkörper räumlich zu trennen. Das berichten sie im Fachmagazin „Physical Review Letters“ (Band 104, Artikel 026801). Der Erfolg ist ein Schritt hin zu Quantencomputern und zu völlig abhörsicheren Datenverbindungen.

Christoph Strunk, Physiker an der Universität Regensburg und einer der beteiligten Forscher, erklärt die Grundzüge: „Wir benutzen einen Supraleiter, eine extrem tief gekühlte Metallverbindung, die keinen elektrischen Widerstand hat. In so einem Leiter fügen sich die Elektronen zu Cooper-Paaren zusammen.“ Die beiden Elektronen eines Cooper-Paars sind über ihren Drehimpuls (Spin) verschränkt. Das bedeutet, wenn man den Drehimpuls des einen Elektrons misst, dann nimmt das andere Elektron augenblicklich den entgegengesetzten Drehimpuls ein. „Uns ist es gelungen, die Cooper-Paare voneinander zu trennen – das heißt, die beiden verschränkten Elektronen auf verschiedene Ausgänge eines Schaltkreises zu verteilen, von wo aus sie separat weitergeleitet werden können“, berichtet Strunk. Das eröffnet die Möglichkeit, jedes Elektron einzeln zu beeinflussen.

Wofür ist das gut? Zum Beispiel, um Informationen hundertprozentig abhörsicher zu übertragen. „Man erzeugt dafür viele verschränkte Elektronenpaare“, erläutert der Physiker. „Von jedem Paar schickt man dann ein Elektron zum Sender, das andere zum Empfänger.“ Der Sender misst nacheinander den Drehimpuls der Elektronen, die bei ihm ankommen. Dabei erhält er eine vollkommen zufällige Zahlenfolge. Die „spukhafte Fernwirkung“ führt dazu, dass die Elektronen des Empfängers augenblicklich den entgegengesetzten Drehimpuls einnehmen. Das heißt, der Empfänger bekommt exakt die spiegelbildliche Folge, sobald er den Drehimpuls seiner Elektronen misst. Sender und Empfänger wissen also voneinander, welche Zahlenfolge sie haben.

„Diese Zahlenfolge benutzt der Sender als Schlüssel, um seine Botschaft zu codieren“, erläutert Strunk. „Die codierte Botschaft sendet er an den Empfänger, der ebenfalls den Schlüssel kennt und damit die Botschaft entziffert.“ Ein Spion kann die codierte Botschaft zwar belauschen, sie nützt ihm aber nichts, weil er den Schlüssel nicht hat, um sie zu verstehen.

Der Spion könnte zwar versuchen, die verschränkten Elektronen abzufangen und ihren Drehimpuls zu messen, um den Schlüssel zu knacken. Doch dann kommen die Elektronen nicht mehr an ihrem Bestimmungsort an, was Sender und Empfänger unweigerlich bemerken. Sie wissen dann, dass jemand mithört, und beginnen gar nicht erst mit der eigentlichen Übertragung. Ein Abhören der Botschaft ist somit unmöglich.

Mit Lichtteilchen wurde diese Technik schon getestet. Forscher um den österreichischen Physiker Anton Zeilinger haben im vergangenen Jahr verschränkte Photonen zwischen den Inseln La Palma und Teneriffa übertragen – 144 Kilometer durch die Luft. Damit ist klar, dass eine abhörsichere Kommunikation mit verschränkten Quantenzuständen auch über große Entfernungen möglich ist.

„Verschränkte Lichtteilchen eignen sich aber nicht so gut, um damit Rechenoperationen in Computern auszuführen“, sagt Strunk. Dafür seien verschränkte Elektronen besser, denn die könne man durch elektrische Schaltkreise schicken. Dass es ihm und seinen Kollegen erstmals gelungen ist, verschränkte Elektronen in einem Schaltkreis voneinander zu trennen, sei daher ein Schritt in Richtung Quantencomputer. „Mithilfe verschränkter Elektronen könnte es möglich sein, Quantencomputer zu konstruieren“, sagt auch Nicolas Gisin, Physiker an der Universität Genf. Gisin erforscht verschiedene Anwendungen der Quantenphysik, unter anderem koordiniert er das Projekt „Swiss Quantum“, in dem die Praxistauglichkeit der Quantenkommunikation in großem Maßstab erprobt wird.

Noch existieren Quantencomputer überwiegend in der Theorie. Sie heißen so, weil sie mit Quantenzuständen rechnen und Effekte wie die Quantenverschränkung ausnutzen. Berechnungen zeigen, dass sie bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen können als heutige, klassische Computer – etwa die Suche in sehr großen Datenbanken, die Produktzerlegung sehr großer Zahlen oder die Simulation von Atomen und Molekülen. Wichtig ist das zum Beispiel, um Molekülbewegungen bei einer chemischen Reaktion nachzubilden.

Der Physiker Strunk warnt allerdings vor falscher Euphorie: „Trotz der jüngsten Erfolge liegen solche Anwendungen noch in weiter Ferne.“