"Spukhafte Fernwirkung" verschränkter Teilchen bleibt weiter ein Rätsel

15. August 2016, 09:11
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Physiker finden keinen Hinweis, dass verschränkte Photonen nicht in überlichtschnellem Austausch stehen

Brisbane/Wien – Das bekannteste Phänomen in der Quantenphysik wird in der medialen Berichterstattung gern mit dem "Beamen" in Verbindung gebracht. Tatsächlich aber hat die Verschränkung von Teilchen nichts mit Teleportation zu tun. Die Theorie besagt vielmehr, dass beispielsweise zwei verschränkte Lichtteilchen miteinander wie über einen unsichtbaren Faden verbunden bleiben, auch wenn sie sich über beliebige Distanzen von einander entfernen. Selbst Albert Einstein konnte sich mit den Konsequenzen der Verschränkung nicht anfreunden und sprach von "spukhafter Fernwirkung". Auf welche Art die beiden Teilchen miteinander in Verbindung stehen, ist bis heute ein RätseI.

Im Alltag haben wir gelernt, durch Beobachtung relativ verlässlich auf Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zu schließen. So wird etwa schnell klar, dass das Betätigen eines Lichtschalters die Glühbirne erleuchten lässt und nicht etwa das Licht den Schalter betätigt. "Wir wissen aber schon lange, dass das in der Quantenmechanik nicht ganz so läuft", erklärte der österreichische Physiker Martin Ringbauer vom Andrew White's Quantum Technology Labor der University of Queensland in Brisbane (Australien) und Erstautor einer aktuellen Studie im Fachblatt "Science Advances".

Widerspruch zur Speziellen Relativitätstheorie

Manipuliert man eines von zwei miteinander verschränkten Teilchen, indem man beispielsweise die Polarisierung misst, passiert augenblicklich auch an dem anderen etwas. Könnte man zwei Spielwürfel verschränken, wüsste man bis zur Messung nicht, welche Augenzahl sie zeigen. Nach der Messung würde aber mit Sicherheit bei beiden die gleiche – zufällige – Seite nach oben zeigen. Da sich nichts schneller als das Licht ausbreiten kann, widerspricht dieses Verhalten scheinbar der Speziellen Relativitätstheorie – was Einstein wohl zu seiner abwertenden Einschätzung als "Spuk" veranlasste.

"Einsteins Erklärung dafür war: Es gibt 'verborgene gemeinsame Ursachen'. Beim Licht-Beispiel etwa bräuchte es sozusagen eine Ursache, die gemeinsam dafür verantwortlich ist, dass das Licht angeht und sich der Lichtschalter bewegt, oder eben die bei einer Messung immer das gleiche Resultat liefert", sagte Ringbauer. 1964 stellte der Physiker John Bell (1928-1990) ein Theorem ("Bell'sche Ungleichung") auf, das es ermöglichte, durch Experimente festzustellen, ob es tatsächlich verborgene Variablen gibt.

Vergangenes Jahr konnten Forschungsgruppen um den Wiener Experimentalphysiker Anton Zeilinger in Wien sowie in Boulder (USA) und in Delft (Niederlande) zeigen, "dass Einsteins Erklärung nicht funktioniert und Quantenverschränkung nicht mit diesem Ursache-Wirkung-Prinzip erklärt werden kann", so Ringbauer. Nun sind Physiker aber weiter auf der Suche nach Erklärungen.

Kein überlichtschneller Austausch

Eine der Alternativ-Theorien fußt auf der Annahme, dass es irgendeinen Austausch zwischen den beiden Teilchen gibt, der schneller als die Lichtgeschwindigkeit erfolgt. Ringbauer: "Genau das versuchten wir nun zu testen."

Die Physiker-Gruppe, der mit Alessandro Fedrizzi auch ein weiterer Österreicher angehört, hat dazu Quanten-Experimente erdacht, bei denen das Messresultat bei einem der Teilchen fixiert wurde. Dann überprüfte sie, ob das einen Einfluss auf das Messresultat des zweiten Teilchens hat. Im Licht-Beispiel würde das bedeuten, dass die Physiker nicht nur beobachten, sondern den Lichtschalter selbst betätigen. Gäbe es eine Verbindung schneller als das Licht, müsste sich hier eine Abhängigkeit zeigen, was aber nicht der Fall war. "Diese Alternativtheorie eines Überlichtgeschwindigkeit-Einflusses von einem Messresultat zum anderen kann also nicht erklären, was wir im Experiment sehen", sagte Ringbauer.

Mit dem Ausschluss dieser möglichen Erklärung "kommen wir trotzdem einen Schritt näher zu verstehen, warum diese verschränkten Quantenteilchen dem klassischen Ursache-Wirkung-Prinzip nicht folgen. Es kann auch sein, dass dieses Prinzip in der Quantenmechanik einfach nicht funktioniert und man es erweitern muss", räumte der Physiker ein. Es sei nicht einfach nur interessant, diese Phänomene zu verstehen – praktische Bedeutung gibt es für die Technologie der abhörsicheren verschlüsselten Informationsübertragung mittels Quantenteilchen. (APA, red, 15.8.2016)

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