Zeitung Heute : „Ein wahres Hexeneinmaleins“

Einstein ist einer der Väter der Quantentheorie. Später verzweifelte er an der Rolle, die der Zufall darin spielt. Seine tiefgründigen Einwände haben die moderne Informationstechnik beflügelt

Anton Zeilinger

Die erste Arbeit, die Albert Einstein in seinem „annus mirabilis“ 1905 veröffentlichte, ist die einzige, die Einstein selbst in einem Brief vom selben Jahr als „revolutionär“ bezeichnet. In dieser Arbeit schlägt Einstein vor, dass Licht aus Teilchen besteht. Heute werden die Lichtquanten „Photonen“ genannt. Es ist diese Arbeit, wofür er 1922 den Nobelpreis erhielt. Aber trotz seines frühen Beitrags zur Quantenphysik begann Einstein, die neue Theorie bald zu kritisieren – und er blieb ein Kritiker, sein Leben lang.

Bereits auf der Jahrestagung der Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte 1909 in Salzburg drückte Einstein sein „Unbehagen“ über die neue Rolle des Zufalls in der Quantenphysik aus. Es ist äußerst bemerkenswert, dass er bereits damals, lange vor der Formulierung der Quantentheorie Mitte der 20er Jahre, erkannte, dass der Zufall in der Quantenphysik von vollkommen neuer Natur ist.

Das einzelne Messereignis ist in einer Weise rein zufällig, die weit über die Natur des Zufalls im täglichen Leben oder in der klassischen Physik hinausgeht. Dort nehmen wir ja immer an, es sei möglich, für jedes einzelne Ereignis eine Kausalkette zu konstruieren, auch wenn uns diese vielleicht nicht immer bekannt ist.

Für das einzelne Quantenereignis, wie etwa den Zerfall eines radioaktiven Atoms, ist dies nicht möglich.Wir sind heute überzeugt, dass für das Einzelereignis keine Kausalkette angegeben werden kann – nicht einmal im Prinzip.

Nach Entwicklung der neuen Quantentheorie ab 1925 durch Heisenberg, Schrödinger und Dirac kritisierte Einstein insbesondere das Realitätskonzept, wie es in dem von Niels Bohr formulierten Begriff der „Komplementarität“ zum Ausdruck kommt. Wenn wir etwa die Messung von Ort und Impuls (Geschwindigkeit) eines Teilchens betrachten, so sagt uns die Heisenbergsche Unschärfebeziehung, dass nicht beide gleichzeitig beliebig genau gemessen werden können.

Dies mag nun lediglich als Störung des Messobjekts durch unsere notwendigerweise sehr groben Messinstrumente verstanden werden. Jedoch ist die Botschaft eine viel tiefere. Nach Niels Bohr macht es keinen Sinn, über Eigenschaften eines Systems zu sprechen, wenn wir nicht tatsächlich eine Messung durchführen, die es uns gestattet, die jeweils gewählte Eigenschaft tatsächlich zu bestimmen.

Wenn wir den Ort eines Teilchens messen, ist sein Impuls nicht nur unbekannt, sondern das Teilchen besitzt keinen wohldefinierten Impuls. Ort und Impuls sind zueinander komplementär, wir können durch Auswahl des Messinstruments entscheiden, welche der beiden Größen Wirklichkeit wird. Dass die andere, nicht existente, Wirklichkeitscharakter besitzt, ist dann nicht einmal in Gedanken zugelassen.

Einsteins Kritik daran kulminierte nach seinen Diskussionen mit Niels Bohr in der berühmten Einstein-Podolsky-Rosen Arbeit von 1935. Darin analysiert er die Physik zweier Teilchen, die miteinander in Wechselwirkung treten. Auf Grund dieser Wechselwirkung sind ihre Eigenschaften danach aufs Engste miteinander verbunden: Die Messung an einem der beiden liefert ein zufälliges Resultat, jedoch wird dadurch die entsprechende Eigenschaft des zweiten Systems festgelegt. Erwin Schrödinger führte im selben Jahr für dieses Phänomen die Bezeichnung „Verschränkung“ ein und bezeichnete sie als das wesentliche Charakteristikum der Quantenphysik.

Bei verschränkten Systemen ist es so, dass in der Größe, die verschränkt ist, keines der beiden Systeme vor der Messung eine wohldefinierte Eigenschaft hat. Es sind, um mit Robert Musil zu sprechen, Teilchen ohne Eigenschaften. Wird eines gemessen, nimmt es zufällig einen Messwert an. Das zweite, beliebig weit entfernte, nimmt aber dann auch den genau entsprechenden Zustand an.

Gerade da knüpft die Kritik Einsteins an. Sie ist am klarsten in seinen „Autobiographischen Notizen“ aus dem Jahr 1948 wiedergegeben, wo er feststellt, dass der quantenphysikalische Zustand, den wir dem zweiten System zuordnen, offenbar davon abhängt, welche Messung wir am ersten System durchführen. Einstein fordert jedoch, dass der wirkliche, faktische Zustand des zweiten Systems unabhängig davon sein muss, welche Messung am ersten durchgeführt wird. Es kann daher nach dieser Argumentationslinie die Quantenphysik nicht eine vollständige Beschreibung der Natur sein.

Albert Einsteins Kritik führte insbesondere nach der Arbeit von John Bell im Jahr 1965, in der dieser zeigte, dass die von Einstein bezogene, philosophische Position in einem experimentell beobachtbaren Widerspruch zur Quantenphysik steht, zu zahlreichen Experimenten. In ihrer Gesamtheit widerlegen sie Einstein heute eindeutig. Obwohl Einstein also hier nicht Recht hatte, wäre es falsch, Einsteins Beitrag deshalb geringzuschätzen. Zur großen Überraschung aller an den frühen Experimenten Beteiligten haben gerade die Experimente mit einzelnen Quantensystemen zu neuen Ideen der Informationsverarbeitung und Informationsübertragung geführt, die das Tor zu einer neuen Technologie geöffnet haben. In diesen neuen Konzepten der Quanteninformationstechnologie spielen gerade die von Einstein kritisierten Punkte Zufall, Verschränkung und Komplementarität eine zentrale Rolle.

Am weitesten fortgeschritten ist die Anwendung in der Quantenkryptographie. Bei einem Verfahren, das auf verschränkte Photonen aufbaut, erzeugen die beiden Mitspieler, Alice und Bob, die Informationen geheim austauschen wollen, eine Serie verschränkter Paare von Photonen. Durch Messungen an beiden Photonen können sie einen – im Prinzip beliebig langen – Schlüssel herstellen, der aus Zufallszahlen besteht und auf beiden Seiten identisch ist.

Wesentlich ist, dass dieser Schlüssel nicht von Alice zu Bob übertragen werden muss, sondern durch Messung an den verschränkten Photonen an beiden Orten gleichzeitig entsteht. Alice kann nun ihre Nachricht mit Hilfe dieser Zufallszahlenfolge verschlüsseln, Bob, der die gleiche Folge besitzt, kann sie leicht entschlüsseln. Das verschlüsselte Bild ist gegen Spionage sicher, da der Schlüssel rein zufällig ist und nur einmal verwendet wird. Ein abhörender Spion wird dadurch ausgeschlossen, dass Alice und Bob unabhängig voneinander zwischen zwei einander komplementären Messungen hin- und herschalten. Dadurch kann ein Abhörer leicht identifiziert werden.

Der Stand der Quantenkryptographie ist der, dass heute Systeme existieren, mit denen ein Schlüsselaustausch über mehrere Kilometer möglich ist. Systeme, die eine unmittelbare technische Anwendung gestatten, befinden sich in Entwicklung und werden in wenigen Jahren einsatzbereit sein.

Eine besonders interessante Anwendung der Quantenkommunikation ist die Teleportation. Hier wird der Zustand eines Photons mit Hilfe der Verschränkung auf ein anderes, beliebig weit entferntes übertragen. Die Teleportation, so sehr sie auch Anhängern von Science Fiction am Herzen liegen möge, wird aber wohl nie zur Übertragung von Objekten geeignet sein. Ihre Anwendung wird eher in der Kommunikation zwischen künftigen Quantencomputern liegen.

Die Entwicklung des neuen Gebiets der Quanteninformatik ist ein schönes Schulbeispiel dafür, wie ursprünglich philosophische Fragestellungen zu einer neuen Technologie führen können. Einstein kritisierte die Quantenphysik nicht, weil sie falsch gewesen wäre, sondern wegen ihrer philosophischen Implikationen. Als Folge wurden Experimente durchgeführt, die die Quantenphysik glänzend bestätigt haben. Das Interessante ist, dass gerade diese Experimente das Tor zu einer neuen Technologie eröffnet haben, von der weder Einstein noch irgendeiner der frühen Experimentatoren auch nur geträumt hätten! Dies zeigt auch die Grenzen einer kurzsichtigen, nur auf Anwendung und Umsetzung bedachten Forschungspolitik, wie sie leider immer wieder gefordert wird.

In der heute so intensiv geführten Bildungsdiskussion darf man daher schon in Frage stellen, ob die Orientierung in Richtung einer Ausbildung zu möglichst unmittelbar anwendbaren Inhalten tatsächlich so sinnvoll ist. Das mag kurzfristig sehr wohl seine Berechtigung haben. Langfristig dürfte sich jedoch eine Ausrichtung auf konkrete Anwendbarkeit von selbst verbieten. Dies gilt auch für die Forschungsziele. Selbst wenn man Bildung nur über ihre ökonomischen Anwendungen motivieren möchte, ist eine breite Ausbildung langfristig unabdingbar. Sie ist auch ein zentrales humanistisches Desideratum.

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