Es scheint keinen Ausweg zu geben: Ein von Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" abgelehntes Phänomen konnte einmal mehr experimentell bestätigt werden. Wie führende Kosmologen und Quantenphysiker im Februar 2017 im Fachblatt "Physical Review Letters" berichteten, verwendeten sie Sternenlicht zur Steuerung einer Messung an Teilchen, die sie in Wien zwischen mehreren Gebäuden umhersausen ließen. Damit schließen die Forscher die Tür zu einer faszinierenden Alternative zur "Quantenverschränkung". "Technisch gesehen ist das Experiment wirklich eindrucksvoll", gesteht Nicolas Gisin, Quantenphysiker an der Universität Genf, der sich intensiv mit diesem Schlupfloch für die Verschränkung auseinandergesetzt hat.

Gemäß der normalen Quantentheorie besitzen Teilchen keinen eindeutigen Zustand. Man kann ihnen lediglich relative Wahrscheinlichkeiten dafür zuordnen, dass sie sich in dem einem oder anderen Zustand befinden. Erst wenn eine Messung stattfindet, fällt plötzlich der Würfel, und das Teilchen nimmt entsprechend dieser Wahrscheinlichkeiten einen der Zustände ein. Noch seltsamer geht es zu, wenn zwei Teilchen miteinander wechselwirken. Dann können sie nämlich miteinander "verschränkt" sein: Ihre individuellen Wahrscheinlichkeiten sind nicht länger unabhängig voneinander. Vielmehr sind sie nun Komponenten einer komplizierteren Wahrscheinlichkeitsfunktion, die beide Teilchen gemeinsam beschreibt. Diese Funktion kann beispielsweise aussagen, dass die Polarisation zweier verschränkter Photonen senkrecht zueinander stehen muss. Dann gibt es eine bestimmte Wahrscheinlichkeit dafür, dass Photon A vertikal und Photon B horizontal polarisiert ist – und eine entsprechende Wahrscheinlichkeit dafür, dass es umgekehrt ist. Die beiden Photonen können sich Lichtjahre voneinander entfernen, aber sie bleiben untrennbar miteinander verbunden: Misst man bei Photon A eine vertikale Polarisation, dann ist Photon B sofort horizontal polarisiert, obwohl sein Zustand noch unmittelbar vorher nicht festgelegt war und kein Signal zwischen den beiden Teilchen ausgetauscht werden konnte. Genau das ist die "spukhafte Fernwirkung", die Einstein in den 1930er und 1940er Jahren an der Vollständigkeit der Quantenmechanik zweifeln ließ.

Der nordirische Physiker John Bell fand 1964 eine Möglichkeit, diesen paradoxen Effekt experimentell zu überprüfen. Sollten Teilchen aber auch einen definierten Zustand besitzen, wenn niemand hinschaut – ein als "Realismus" bezeichnetes Konzept –, und sollte es weiterhin keine Signale geben, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten – eine als "Lokalität" bezeichnete Bedingung –, dann, so zeigte Bell, ergibt sich eine Obergrenze für die Korrelation der gemessenen Zustände von zwei verschränkten Teilchen. Doch Experimente zeigten wieder und wieder, dass verschränkte Teilchen stärker miteinander korreliert sind als diese bellsche Obergrenze. Und das spricht für ein radikales Quanten-Weltbild und gegen einen lokalen Realismus.

Rettet das Schlupfloch der freien Wahl Bells Theorie?

Die Sache hat allerdings einen Haken: Zusätzlich zu Lokalität und Realismus machte Bell eine weitere subtile Annahme, um seine Ungleichung zu erhalten – eine Annahme, die jahrzehntelang unbemerkt blieb. "Die drei Annahmen, die in Bells Theorem eingehen, sind Lokalität, Realismus und Freiheit", sagt Andrew Friedman vom Massachusetts Institute of Technology, Koautor einer neuen Veröffentlichung. "Erst kürzlich wurde entdeckt, dass sich Lokalität und Realismus retten lassen, wenn man nur ein klein wenig Freiheit aufgibt." Die Forscher bezeichnen dies als "Schlupfloch der freien Wahl".

In einem Bell-Test trennen die Forscher zwei verschränkte Photonen A und B und senden sie zu zwei weit voneinander entfernten optischen Modulatoren. Diese blockieren entweder den Weg oder lassen die Photonen hindurch zu einem Detektor, in Abhängigkeit davon, wie die Modulatoren relativ zur Polarisation der Photonen ausgerichtet sind. Die bellsche Ungleichung liefert eine Obergrenze dafür, wie oft – in einem lokalen, realistischen Universum – beide Photonen A und B die Modulatoren durchqueren und von den Detektoren registriert werden. Die Experimentatoren finden stets, dass verschränkte Photonen stärker korreliert sind, dieses Limit also verletzen. Bells Theorem geht dabei davon aus, dass die Ausrichtung der beiden Modulatoren unabhängig vom Zustand der untersuchten Teilchen ist, demnach von den Experimentatoren frei gewählt werden kann. Sollte das jedoch nicht der Fall sein – wenn die Natur also auf irgendeine Weise die möglichen Einstellungen der Modulatoren einschränkt und unmittelbar vor Durchführung des Experiments mit dem Zustand der Teilchen korreliert –, dann könnte diese Einschränkung der freien Wahl die Messergebnisse erklären, die sonst mit der quantenmechanischen Verschränkung begründet werden.

"Es könnte unbekannte Einflüsse, Beschränkungen, Randbedingungen, Erhaltungssätze geben, die unsere Freiheit der Wahl subtil einschränken, wenn wir ein Experiment durchführen"
Andrew Friedman

Das Universum ähnelt vielleicht einem Restaurant mit zehn Gerichten auf der Speisekarte, so Friedman: "Man glaubt, man könne jedes dieser zehn Gerichte wählen, doch dann erfährt man, dass es heute kein Huhn gibt. Dadurch stehen einem plötzlich nur noch fünf Gerichte zur Wahl. Unter diesen fünf Gerichten kann man immer noch frei wählen, aber zunächst hat man seine Freiheitsgrade überschätzt." Ganz ähnlich, so der Forscher weiter, "könnte es unbekannte Einflüsse, Beschränkungen, Randbedingungen, Erhaltungssätze geben, die unsere Freiheit der Wahl subtil einschränken", wenn wir ein Experiment durchführen – und so eine Verletzung des lokalen Realismus vortäuschen.

Dieses Schlupfloch rückte im Jahr 2010 verstärkt in den Fokus der Forscher, als Michael Hall, jetzt an der Griffith University in Australien tätig, eine quantitative Methode zur Reduzierung der Freiheit der Wahl entwickelte. Bei Bell-Tests haben die Messinstrumente stets zwei Einstellungen, die einem Bit an Information entsprechen, entweder 1 oder 0. Es sind also zwei Bits an Information nötig, um die Einstellungen vollständig zu beschreiben – jedenfalls, wenn sie wirklich unabhängig voneinander sind. Wenn die beiden Einstellungen aber nicht ganz unabhängig voneinander sind – wenn bei einem von 22 Durchläufen ein einziges Bit ausreicht –, dann halbiert das die Anzahl möglicher Einstellungen für alle 22 Durchläufe zusammen auf die Hälfte, so zeigte Hall. Diese reduzierte Wahlfreiheit sorgt bereits für eine Korrelation der Messungen, die größer ist als der bellsche Grenzwert, und erzeugt so die Illusion einer Quantenverschränkung.

Nichtlokalität und Verschränkung – die unglaubliche Welt der Quantenteilchen
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Es mag wie Zauberei klingen: Teilchen, die sich an mehreren Orten gleichzeitig befinden oder über weite Entfernungen miteinander verbunden sind. Bei quantenmechanischen Teilchen ist das jedoch Realität und wird als Nichtlokalität und Verschränkung bezeichnet. Letzteres wurde von Einstein spöttisch als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet, da zu seiner Zeit die genannten Phänomene nicht vereinbar mit der bis dahin gültigen Physik waren. Bei der Verschränkung sind zwei Teilchen, die ehemals als Paar auftraten, auch nach ihrer räumlichen Trennung miteinander verbunden. Messungen an dem eine wirken sich unmittelbar, ohne Zeitverzögerung, auf den Zustand des anderen aus.

Für quantenmechanische Teilchen lassen sich überdies keine exakten Positionen angeben. Stattdessen liefert eine mathematische Formel lediglich die Wahrscheinlichkeit, mit der sich ein Partikel an den verschiedenen Orten im Raum befindet. Die quantenmechanische Wirklichkeit ist also eine Überlagerung vieler Zustände. Solche Phänomene wurden vielfach in Experimenten nachgewiesen, und die Quantenmechanik hat auch die passenden theoretischen Modelle geliefert. Dennoch weiß niemand, inwiefern quantenmechanische Phänomene tatsächlich Teil unserer Realität sind und welche Konsequenzen das hätte: Ist vielleicht alles miteinander verbunden? Gibt es gar parallele Universen, in denen all die quantenmechanisch möglichen Zustände realisiert werden? Unter Physikern führten derartige Spekulationen schon zu viel Streit. Fest steht jedoch: Die Quantenmechanik zeigt uns die Grenzen unseres Verstands auf. Vermutlich hat die Welt eine völlig andere Struktur, als wir auf Grund unserer Alltagserfahrung glauben. Dies wäre eine mögliche Erklärung, wieso uns gewisse Dinge wie Zauberei erscheinen.

Die Idee, die Natur könnte die Freiheit der Wahl einschränken, aber den lokalen Realismus erhalten, wurde noch attraktiver, als Forscher auf Zusammenhänge zwischen Information und der Geometrie von Raum und Zeit stießen. Die Erforschung Schwarzer Löcher deutet beispielsweise darauf hin, dass sich umso weniger Bits an Information in einer Region speichern lassen, je stärker die Gravitation dort ist. Ist es also vielleicht die Gravitation, die die Anzahl möglicher Einstellungen bei einem Bell-Test reduziert, quasi Angebote von der Speisekarte des Universums streicht? Friedman, Alan Guth und ihre Kollegen am MIT befassten sich vor ein paar Jahren gerade mit solchen Spekulationen, als Anton Zeilinger, ein berühmter Bell-Test-Experimentator an der Universität Wien, das Institut besuchte. Auch Zeilinger hatte sein Augenmerk auf das Wahlfreiheits-Schlupfloch gerichtet. Gemeinsam entwickelten die Forscher eine Idee, wie man zwischen einem Universum ohne lokalen Realismus und einem Universum, das die Freiheit der Wahl einschränkt, unterscheiden kann.

Und sie zeigen doch eine spukhafte Fernwirkung

Beim ersten einer ganzen Reihe geplanter "kosmischer Bell-Tests" schickte das Team Photonenpaare vom Dach des Laborgebäudes von Zeilinger in Wien durch die offenen Fenster von zwei anderen Gebäuden in optische Modulatoren und erhielt so die üblichen korrelierten Messergebnisse. Doch diesmal versuchten die Forscher, die Möglichkeiten zu reduzieren, die Einstellungen der Modulatoren unmittelbar vor der Messung auf irgendeine Weise mit dem Zustand der Photonen zu korrelieren. Sie stellten ein Teleskop in jedes Fenster und richteten es auf einen zufällig gewählten, gut sichtbaren hellen Stern. Vor jeder Messung nutzten sie dann die Farbe eines von diesem Stern empfangenen Photons, um den Winkel des jeweiligen Modulators festzulegen. Die Farbe der Photonen war bereits vor vielen hundert Jahren festgelegt worden, als der Stern diese Strahlung emittiert hat, und deshalb sollte die Wahrscheinlichkeit größer sein, dass sie – und damit auch die Einstellungen der Modulatoren – unabhängig von den Zuständen der vom Dach ausgesendeten Photonen waren. Auch unter diesen Bedingungen verletzten die Messergebnisse die bellsche Ungleichung – und das bestärkte die Forscher darin, dass die polarisierten Photonen eben doch eine spukhafte Fernwirkung zeigen.

"Wenn tatsächlich alle Korrelationen bereits beim Urknall festgelegt wurden, dann ist alles vorherbestimmt. Ich empfinde ein solches Weltbild als öde"
Jan-Åke Larsson

Zwar könnte die Natur immer noch das Schlupfloch der freien Wahl nutzen. Aber dazu müsste das Universum mindestens 600 Jahre vor dem Experiment Angebote aus der Speisekarte gestrichen haben, denn so lange benötigt das Licht des näheren der beiden Sterne zur Erde. "Die Korrelation muss nun also bereits aufgetreten sein", so Hall, "bevor Shakespeare schrieb 'Bis ich den sichern Zweifel klar erkannt, biet' ich dem dargebotnen Trug die Hand.'" Als Nächstes plant das Team, Licht von immer weiter entfernten Quasaren zu nutzen, um die Einstellungen der Messungen festzulegen – und so immer weiter in der Zeit zurückzugehen und dem Universum ein immer kleineres Zeitfenster zu bieten, eine Korrelation zwischen weit in der Zukunft liegenden Einstellungen herzustellen und so die Freiheit der Wahl einzuschränken. Es ist auch möglich – wenngleich extrem unwahrscheinlich –, dass das Team einen Übergangszeitpunkt findet, an dem die Messungen unkorreliert werden und die Verletzung der bellschen Grenze verschwindet. Das wäre dann ein Beweis dafür, dass Einstein Recht hatte mit seinen Zweifeln an der spukhaften Fernwirkung. "Für uns ist das eine Win-win-Situation", sagt Friedman. "Entweder wir schließen das Schlupfloch immer weiter und stärken so unser Vertrauen in die Quantentheorie. Oder wir stoßen auf etwas, was uns den Weg zu neuer Physik weist."

Es gibt eine letzte, von vielen Physikern geradezu verabscheute Möglichkeit: Das Universum könnte die Freiheit der Wahl von Anfang an eingeschränkt haben. Jede Messung wäre dann durch Korrelationen festgelegt, die bereits beim Urknall entstanden sind. Ein solcher "Super-Determinismus" wäre jedoch nicht nachweisbar, sagt Jan-Åke Larsson von der Universität Linköping in Schweden. Kosmische Bell-Tests können niemals Korrelationen ausschließen, die bereits vor den ersten Sternen, vor Quasaren, vor jeder Art von Strahlung im Universum existierten. Das Schlupfloch der freien Wahl lässt sich also niemals vollständig schließen. Doch vor die Wahl gestellt zwischen Quanten-Verschränkung und Super-Determinismus, favorisieren die meisten Wissenschaftler die Verschränkung – und damit ihre Freiheit. "Wenn tatsächlich alle Korrelationen bereits beim Urknall festgelegt wurden, dann ist alles vorherbestimmt", sagt Larsson. "Ich empfinde ein solches Weltbild als öde. Ich kann einfach nicht glauben, dass es so ist."

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Von "Spektrum der Wissenschaft" übersetzte und redigierte Fassung des Artikels "Experiment Reaffirms Quantum Weirdness" aus "Quanta Magazine", einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.