Fast 80 Jahre ist die Quantenmechanik inzwischen alt – und sie hat bislang jeden experimentellen Test mit Bravour bestanden. Trotz dieses Erfolgs ist das Unbehagen, das schon Albert Einstein ob der "spukhaften Fernwirkung" bei Quanteneffekten erfasste, bis heute nicht völlig verschwunden. Verhält sich das Universum wirklich so unvorhersehbar und dem gesunden Menschenverstand widersprechend, wie es die Quantentheorie vorhersagt – oder gibt es uns bislang verborgene Regeln und Größen, die ein solches Verhalten nur vortäuschen? Und wenn die Quantenmechanik korrekt ist, was bedeutet sie dann für die physikalische Realität, wie also ist sie zu interpretieren?

Weil es auf diese Fragen bislang keine endgültigen, allgemein akzeptierten Antworten gibt, fühlen Physiker in aller Welt den Quantenphänomenen mit ausgetüftelten, stetig verfeinerten Experimenten auf den Zahn. Manche dieser Experimente wirken genauso abwegig wie die Effekte, die sie untersuchen sollen: US-amerikanische Forscher haben jetzt vorgeschlagen, das Licht von zwei Quasaren, die Milliarden von Lichtjahren entfernt auf entgegengesetzten Seiten des sichtbaren Kosmos liegen, für ein Experiment mit verschränkten Teilchen zu nutzen. Und Quantenphysiker der Universität Wien sind bereits dabei, diesen Vorschlag in die Tat umzusetzen.

"Die Gleichungen der Quantentheorie sagen uns, dass die Welt verrückt und bizarr ist", erklärt David Kaiser vom Massachusetts Institute of Technology im US-amerikanischen Cambridge. "Doch bevor wir das glauben, müssen wir jedes vorstellbare logische Schlupfloch verschließen, und wenn es uns auch noch so unplausibel erscheint." In der klassischen Mechanik sind die Eigenschaften von Teilchen – wie beispielsweise Energie, Impuls oder Ort – klar definierte und genau messbare Größen. In der Quantenmechanik ist die Situation völlig anders: Prinzipiell messbare Eigenschaften – die "Observablen" – haben im Allgemeinen keinen definierten Wert mehr, Messergebnisse ergeben sich probabilistisch aus von der Theorie gelieferten "Eigenwerten" der Observablen.

Wirken Variablen im Verborgenen?

Das mag bereits verrückt erscheinen, da es unserer Alltagserfahrung widerspricht. Noch bizarrer aber ist, dass die Eigenschaften von zwei – oder auch mehr – Teilchen, die weit voneinander entfernt sind, miteinander verknüpft sein können, also nicht unabhängig voneinander sind. Dieses "Verschränkung" genannte Phänomen ließ schon – wie eingangs zitiert – Einstein an der Quantenmechanik zweifeln. Zusammen mit Boris Podolsky und Nathan Rosen entwarf er 1935 ein Szenario, dass zeigen sollte, dass die Quantenmechanik eine unvollständige Theorie ist, es also bislang unbekannte "verborgene" Variablen geben müsse, die zu den vermeintlich bizarren Phänomenen führen.

Aufbau des Experiments
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(Ausschnitt)
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Auf Grund ihrer Verschränkung haben beide Photonen (rot) eine identische Polarisation – doch welche genau, steht während des Flugs nicht fest. Passiert eines davon den Polarisationsfilter oder scheitert, ist auch beim anderen die Polarisationsrichtigung festgelegt.

Tritt dieser Effekt etwa nur auf, weil Photonen und Filter durch eine zeitlich vor dem Experiment liegende Ursache aufeinander abgestimmt werden? Um dies auszuschließen, wollen Physiker das Licht ferner Quasare entscheiden lassen. Allein anhand ihres Lichts wird ein Computer bestimmen, wie die Filter auszurichten sind.

Als Beispiel dienten Einstein und seinen Kollegen zwei Elementarteilchen, die miteinander wechselwirken und sich dann voneinander entfernen. Quantenmechanisch bilden diese beiden Teilchen dann – solange sie nicht durch äußere Einflüsse gestört werden – ein verschränktes System, beschrieben durch eine einzige Funktion. Mit anderen Worten: Es ist nicht möglich, eines der Teilchen unabhängig vom anderen zu beschreiben. Das Bizarre ist nun, dass deshalb auch die Ergebnisse von eigentlich unabhängigen Messungen an den beiden Teilchen nicht unabhängig voneinander sind, sie sind vielmehr korreliert.

Oft liest man, die Messung an einem der Teilchen "beeinflusse" das Ergebnis der Messung bei dem zweiten Teilchen. Diese Wortwahl impliziert jedoch, dass es eine Wirkung von dem einen auf das andere Teilchen gäbe – und eben das ist nicht korrekt. Betrachten wir zunächst eine Analogie aus der klassischen Physik: Wir stecken eine schwarze und eine weiße Kugel in zwei Beutel und überreichen diese den Beobachtern Alice und Bob, die nicht wissen, welche der Kugeln in ihrem jeweiligen Beutel ist. Alice und Bob begeben sich nun an zwei weit voneinander entfernte Orte. Wenn die beiden Beobachter nun eine "Messung" durchführen, also die Beutel öffnen, sind ihre Ergebnisse nicht unabhängig voneinander: Hat Alice die weiße Kugel, so hat Bob die schwarze. Und umgekehrt. Sicher kommt hier niemand auf die Idee, die erste Messung "beeinflusse" die zweite.

Verschränkte Photonen verhalten sich verblüffend anders

So weit, so gut. Elementarteilchen sind aber keine klassischen Kugeln – und sie verhalten sich auch nicht so. Physiker verwenden heute zumeist Photonen, Lichtteilchen, um Experimente zur Verschränkung durchzuführen. Verschränkte Photonenpaare lassen sich mit unterschiedlichen Prozessen erzeugen, zum Beispiel mit der parametrischen Fluoreszenz in nichtlinearen optischen Kristallen. Die Verschränkung bezieht sich dabei auf eine besondere Eigenschaft der Photonen: ihre lineare Polarisation. Sie ist je nach Verfahren entweder identisch oder um 90 Grad gegeneinander gedreht. Die Polarisationsrichtung entspricht der Farbe der Kugeln in unserem klassischen Analogon. Während aber im klassischen Fall die Farbe den Beobachtern zwar unbekannt ist, aber trotzdem bereits feststeht, ist im Fall der verschränkten Photonen die Polarisationsrichtung quantenmechanisch nicht einfach unbekannt. Sie ist tatsächlich vor der Messung nicht festgelegt – jede Richtung ist gleich wahrscheinlich.

Wiederholen wir also das Experiment mit einem Paar verschränkter Photonen mit identischer, aber unbestimmter Polarisation. Alice und Bob haben ihre Photonendetektoren hinter zwei gleich orientierten Polarisationsfiltern aufgebaut. Unabhängig von der genauen Orientierung der Filter ist die Wahrscheinlichkeit, dass das jeweilige Photon den Filter passiert und registriert wird, jeweils 1/2 – die Polarisation ist also, wie von der Quantenmechanik vorhergesagt, vor der Messung undefiniert. Das Merkwürdige: Trotzdem registrieren entweder beide Beobachter ihr Photon oder beide nicht – die verschränkten Photonen besitzen die gleiche Polarisation.

Während bei den Kugeln die Abhängigkeit der Messergebnisse voneinander einleuchtet, ist sie bei den Photonen rätselhaft. Denn vor der Messung stand die Polarisationsrichtung ja noch überhaupt nicht fest – woher weiß dann das zweite Photon, welches Ergebnis die Messung von Alice geliefert hat, um selbst den dazu passenden Wert zu präsentieren?

Eben dieses Phänomen geißelte Einstein als "spukhafte Fernwirkung" und folgerte daraus, dass die Quantenmechanik eine unvollständige Theorie sei – ähnlich wie bei den klassischen Kugeln müsse es "verborgene Variablen" geben, die den Zustand der Elementarteilchen (in diesem Fall die Polarisation während des Flugs) eben doch eindeutig festlegen; nur seien sie den Beobachtern vor der Messung unbekannt.

Bewiesenermaßen bizarr

Doch Einstein irrte sich. Im Jahr 1964 zeigte der nordirische Physiker John Steward Bell, dass sich die von Einstein und seinen Kollegen aufgeworfene Frage im Prinzip experimentell beantworten lassen müsste: Die Korrelation der Messergebnisse bei verschränkten Teilchen ist größer, als es sich mit einer klassischen Theorie mit verborgenen Variablen erklären lässt. Danach dauerte es noch fast zwei Jahrzehnte, bis diese "Bellsche Ungleichung" tatsächlich im Experiment überprüft wurde: Der französische Physiker Alain Aspect und sein Team zeigte, dass die Bellsche Ungleichung bei Messungen an verschränkten Photonen tatsächlich verletzt wird. Seither hat eine Vielzahl von Nachfolgeexperimenten diesen Befund mit immer größerer Signifikanz bestätigt.

Was bedeutet das nun? Die meisten Physiker interpretieren die in verschränkten Systemen auftretenden Korrelationen als Verletzung des Lokalitätsprinzips. Dieses besagt, dass Vorgänge nur Auswirkungen auf ihre direkte räumliche Umgebung haben können. Finden zwei Ereignisse räumlich so weit voneinander getrennt statt, dass kein Signalaustausch zwischen ihnen möglich ist, so können sie auch nicht voneinander abhängen. Eben das scheint bei der Verschränkung aber der Fall zu sein. Bei modernen Bell-Versuchen sind die beiden Beobachter "raumartig" voneinander getrennt, selbst mit Lichtgeschwindigkeit kann also kein Signal von einem zum anderen gelangen.

Eine solche Nichtlokalität ist schwer zu begreifen – und entsprechend vorsichtig gehen die Physiker mit dieser Schlussfolgerung um. Gibt es vielleicht Schlupflöcher in den Experimenten? Die das verblüffende Ergebnis nur vorgaukeln? Tatsächlich gab und gibt es solche Schlupflöcher. Zunächst einmal sind natürlich Fehler im Versuchsaufbau möglich – eine Strahlungsquelle, bei der die Polarisation eine Vorzugsrichtung besitzt, fehlerhafte Filter, durch die die Photonen beeinflusst werden, Rauschen im Detektor. Solche Probleme lassen sich heute recht gut ausschließen. Problematischer ist schon das Schlupfloch der "fairen Stichprobe". Da selbst die modernsten Detektoren nicht alle Photonen registrieren, müssen die Physiker voraussetzen, dass es keine Unterschiede zwischen registrierten und nicht registrierten Photonen gibt. Anton Zeilinger von der Universität Wien und seinem Team gelang es 2012, dieses Schlupfloch mit einem trickreichen Experiment zu schließen.

Das "Schlupfloch der freien Wahl"

Und nun plant Zeilinger, mit Hilfe kosmischer Photonen ein weiteres Problem der Bell-Versuche zu lösen. Nicht nur die Medien, auch Physiker bezeichnen es häufig als "Schlupfloch des freien Willen" – doch das ist Zeilinger zu plakativ: "Die korrekte Bezeichnung ist Schlupfloch der freien Wahl", so der Forscher. Denn darum geht es: Die Ergebnisse des Versuchs hängen natürlich von der freien Wahl der Orientierungen der Polarisationsfilter ab: Es wäre ja zumindest im Prinzip denkbar – so abwegig das auch erscheinen mag –, dass die zu messenden Photonen und die Polarisationsfilter gewissermaßen miteinander konspirieren, also durch einen zeitlich vor der Messung liegenden Einfluss aufeinander abgestimmt werden.

Üblicherweise setzen Physiker Zufallsgeneratoren ein, damit die Ausrichtungen der beiden Filter wirklich unabhängig voneinander sind und keine unbeabsichtigten Korrelationen auftreten. Doch es bleibt immer noch ein Lücke: "Bei herkömmlichen Experimenten sitzen die Zufallsgeneratoren im Lichtkegel der Quelle", sagt Harald Weinfurter, Quantenphysiker an der Ludwig-Maximilians-Universität München. "Die sich ergebenden Zufallszahlen könnten deshalb von verborgenen Variablen der Quelle bestimmt worden sein." Deshalb werde bei modernen Bell-Versuchen der Zufallsgenerator außerhalb des Lichtkegels der Quelle platziert. "Allerdings sagt mir niemand, dass die verborgenen Variablen nicht schon eine Sekunde vor der Emission festgelegt wurden – es ist also wichtig, den Zeitpunkt der Erzeugung immer weiter zurückzulegen."

"Wir verbessern damit den Bell-Test um 20 Größenordnungen" (David Kaiser)

Kaiser und seine Kollegen haben deshalb vorgeschlagen, statt der Zufallsgeneratoren zufällig empfangene Photonen von fernen Quasaren zur Steuerung eines Bell-Versuchs zu verwenden. Diese Himmelskörper, die Kerne aktiver Galaxien, die extrem energiereiche Strahlung aussenden, sind mitunter Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Trick dabei: Wählt man zwei Quasare auf entgegengesetzten Seiten der Himmelssphäre, die sich am Rand des sichtbaren Kosmos befinden, dann sind diese Himmelsobjekte so weit voneinander entfernt, dass sie sich im Laufe der kosmischen Geschichte bislang nicht gegenseitig kausal beeinflussen konnten.

Unabhängiger ist kaum möglich

Eine Beeinflussung der beiden Messungen durch verborgene Variablen wäre damit nahezu für die gesamte Geschichte des Kosmos ausgeschlossen: "Wir verbessern den Bell-Test in Bezug auf dieses Schlupfloch damit um 20 Größenordnungen", so Kaiser.

Der deutsche Quantenphysiker Heinz-Dieter Zeh betrachtet dieses Treiben mit großer Gelassenheit. "Die in der heutigen Fachliteratur diskutierten Schlupflöcher nehme ich nicht allzu ernst – sie sind überwiegend weit unplausibler als jede Nichtlokalität", so der emeritierte Professor der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg. "Schon die Experimente von Aspect galten ja als endgültiger Beweis. Aber offenbar kann man auch heute noch Aufsehen damit erregen." Zeh hat wichtige Beiträge zur "Dekohärenz" und damit zum Verständnis von Messungen in der Quantenmechanik geleistet. Für den Forscher ist die Nichtlokalität eine gegebene Eigenschaft der Realität und bereits hinreichend bewiesen. Trotzdem sieht Zeh weitere Experimente dazu nicht als grundsätzlich sinnlos an: "Die größte Entdeckung wären natürlich völlig unerwartete Ergebnisse – wenn man sie denn findet!"

So sieht es auch Zeilinger. Aber auch er rechnet damit, dass sich die Vorhersagen der Quantenmechanik einmal mehr bestätigen: "Ich erwarte nichts Unerwartetes." Mit Hilfe der Observatorien auf den kanarischen Inseln wollen Zeilinger und Kaiser gemeinsam ihren "kosmischen Bell-Test" in die Tat umsetzen. Zeilinger ist das Terrain vertraut: Dort haben er und seine Mitarbeiter bereits Experimente zur Verschränkung und zur Quantenteleportation durchgeführt. Erste Tests, unter anderem mit dem Jacobus-Kapteyn-Teleskop auf La Palma, sind für 2015 geplant. "In zwei Jahren wollen wir die ersten Messungen mit nahen Sternen durchführen, dann versuchen wir es Schritt für Schritt mit immer weiter entfernten Objekten", so Zeilinger.

Und wenn die Experimente schließlich, gesteuert durch das Licht ferner Quasare, ebenfalls eine Verletzung der Bellschen Ungleichung zeigen – müssen wir dann die Nichtlokalität unserer Welt endgültig akzeptieren? "Nicht unbedingt", meint Weinfurter. Denn die Physiker schließen die Schlupflöcher zwar jedes für sich, aber nicht alle gleichzeitig. "Und deshalb gibt es auch dann noch andere Theorien, die nicht völlig ausgeschlossen werden können."