Quanten-Gruseligkeit besteht den bislang härtesten Test

Es ist ein schlechter Tag sowohl für Albert Einstein als auch für Hacker. Der strengste Test der Quantentheorie, der jemals durchgeführt wurde, hat bestätigt, dass die “gruselige Fernwirkung”, die der deutsche Physiker bekanntermaßen hasste – bei der die Manipulation eines Objekts augenblicklich ein anderes, weit entferntes zu beeinflussen scheint – ein fester Bestandteil des Quanten ist Welt.

Das in den Niederlanden durchgeführte Experiment könnte der letzte Nagel im Sarg für Modelle der Atomwelt sein, die intuitiver sind als die Standardquantenmechanik, sagen einige Physiker. Es könnte auch Quanteningenieuren ermöglichen, eine neue Suite von kryptografischen Ultraschallgeräten zu entwickeln.

„Grundsätzlich ist dies wirklich geschichtsträchtig“, sagt Nicolas Gisin, Quantenphysiker an der Universität Genf in der Schweiz.

Einsteins Ärger

In der Quantenmechanik können sich Objekte gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden: Beispielsweise kann sich ein Atom an zwei Orten befinden oder sich gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen drehen. Durch das Messen eines Objekts wird es in einen genau definierten Zustand versetzt. Darüber hinaus können die Eigenschaften verschiedener Objekte „verwickelt“ werden, was bedeutet, dass ihre Zustände verknüpft sind: Wenn eine Eigenschaft eines solchen Objekts gemessen wird, werden auch die Eigenschaften aller seiner verschränkten Zwillinge festgelegt.

Diese Idee ärgerte Einstein, weil es den Anschein hatte, als würde dieser gespenstische Einfluss sofort zwischen selbst stark getrennten, aber verwickelten Teilchen übertragen werden – was impliziert, dass dies gegen die universelle Regel verstoßen könnte, dass nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen kann. Er schlug vor, dass Quantenteilchen vor ihrer Messung festgelegte Eigenschaften haben, sogenannte versteckte Variablen. Und obwohl diese Variablen nicht zugänglich sind, schlug er vor, dass sie verschränkte Partikel vorprogrammieren, um sich auf korrelierte Weise zu verhalten.

In den 1960ern, Der irische Physiker John Bell schlugen einen Test vor, der zwischen Einsteins versteckten Variablen und der gruseligen Interpretation der Quantenmechanik unterscheiden könnte. Er berechnete, dass versteckte Variablen Korrelationen nur bis zu einer maximalen Grenze erklären können. Wenn dieses Niveau überschritten wird, muss Einsteins Modell falsch sein.

Der erste Bell-Test wurde 1981 vom Team von Alain Aspect am Institut für Optik in Palaiseau, Frankreich, durchgeführt. Seitdem wurden viele weitere durchgeführt, die immer auf der Seite der Gruseligkeit standen – aber jedes dieser Experimente hatte Lücken, die dazu führten, dass Physiker nach Einsteins Ansicht die Tür nie vollständig schließen konnten. Experimente, bei denen verschränkte Photonen verwendet werden, sind anfällig für die „Detektionslücke“: Nicht alle im Experiment erzeugten Photonen werden detektiert, und manchmal gehen bis zu 80% verloren. Experimentatoren müssen daher davon ausgehen, dass die Eigenschaften der von ihnen eingefangenen Photonen für den gesamten Satz repräsentativ sind.

Um die Detektionslücke zu umgehen, verwenden Physiker häufig Teilchen, die leichter zu verfolgen sind als Photonen wie Atome. Es ist jedoch schwierig, entfernte Atome voneinander zu trennen, ohne ihre Verstrickung zu zerstören. Dies öffnet die ‘Kommunikationslücke’: Wenn die verschränkten Atome zu nahe beieinander liegen, können Messungen an einem im Prinzip das andere beeinflussen, ohne die Lichtgeschwindigkeitsgrenze zu verletzen.

Verschränkungstausch

In dem neuesten Artikel, der am 24. August beim Preprint-Repository von arXiv eingereicht wurde und noch nicht von Experten begutachtet wurde, berichtet ein Team unter der Leitung von Ronald Hanson von der Technischen Universität Delft über das erste Bell-Experiment, das sowohl die Erkennungs- als auch die Kommunikationslücken schließt. Das Team verwendete eine listige Technik namens Verschränkungstausch, um die Vorteile der Verwendung von Licht und Materie zu kombinieren. Die Forscher begannen mit zwei entwirrten Elektronen, die in Diamantkristallen in verschiedenen Labors auf dem 1,3 Kilometer voneinander entfernten Delfter Campus saßen. Jedes Elektron wurde einzeln mit einem Photon verwickelt, und diese beiden Photonen wurden dann an eine dritte Stelle gezippt. Dort waren die beiden Photonen miteinander verwickelt – und dies führte dazu, dass sich auch ihre beiden Partnerelektronen verwickelten.

Dies funktionierte nicht jedes Mal. Insgesamt gelang es dem Team, innerhalb von neun Tagen 245 verschränkte Elektronenpaare zu erzeugen. Die Messungen des Teams überstiegen die Grenze von Bell und unterstützten erneut die Standardquantenansicht. Darüber hinaus schloss das Experiment beide Lücken gleichzeitig: Da die Elektronen leicht zu überwachen waren, war die Detektionslücke kein Problem, und sie waren weit genug voneinander entfernt, um auch die Kommunikationslücke zu schließen.

„Es ist ein wirklich geniales und schönes Experiment“, sagt Anton Zeilinger, Physiker am Wiener Zentrum für Quantenwissenschaft und -technologie.

“Ich wäre nicht überrascht, wenn wir in den nächsten Jahren einen der Autoren dieses Papiers sehen würden, zusammen mit einigen der älteren Experimente, Aspect’s und anderen, die mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurden”, sagt Matthew Leifer, Quantenphysiker bei das Perimeter Institute in Waterloo für Theoretische Physik, Ontario. “Es ist so aufregend.”

Ein lückenloser Bell-Test hat laut Leifer auch entscheidende Auswirkungen auf die Quantenkryptographie. Unternehmen verkaufen bereits Systeme, die Quantenmechanik verwenden, um Lauscher zu blockieren. Die Systeme erzeugen verschränkte Photonenpaare, wobei ein Photon in jedem Paar an den ersten Benutzer und das andere Photon an den zweiten Benutzer gesendet wird. Die beiden Benutzer verwandeln diese Photonen dann in einen kryptografischen Schlüssel, den nur sie kennen. Da die Beobachtung eines Quantensystems seine Eigenschaften stört, erzeugt jemand, der versucht, diesen Prozess zu belauschen, einen spürbaren Effekt und löst einen Alarm aus.

Der letzte Riss

Aber Schlupflöcher und insbesondere die Erkennungslücke lassen die Tür für anspruchsvolle Lauscher offen. Durch diese Lücke könnten böswillige Unternehmen Geräte verkaufen, die Benutzer dazu verleiten, zu glauben, dass sie quantenverschränkte Partikel erhalten, und stattdessen Schlüssel erhalten, mit denen das Unternehmen sie ausspionieren kann. 1991 stellte der Quantenphysiker Artur Ekert fest, dass die Integration eines Bell-Tests in das kryptografische System auch sicherstellen würde, dass das System einen echten Quantenprozess verwendet. Damit dies gültig ist, muss der Bell-Test jedoch frei von Lücken sein, die ein Hacker ausnutzen könnte. Das Delfter Experiment „ist der letzte Beweis dafür, dass Quantenkryptographie bedingungslos sicher sein kann“, sagt Zeilinger.

In der Praxis wird die Idee des Verschränkungsaustauschs jedoch schwer umzusetzen sein. Das Team brauchte mehr als eine Woche, um einige hundert verschränkte Elektronenpaare zu erzeugen, während für die Erzeugung eines Quantenschlüssels Tausende von Bits pro Minute verarbeitet werden müssten, betont Gisin, Mitbegründer des quantenkryptografischen Unternehmens ID Quantique in Genf .

Zeilinger merkt auch an, dass es noch eine letzte, etwas philosophische Lücke gibt, die zuerst von Bell selbst identifiziert wurde: Die Möglichkeit, dass versteckte Variablen die Wahl der Experimentatoren, welche Eigenschaften gemessen werden sollen, irgendwie manipulieren und sie dazu verleiten könnten, die Quantentheorie zu denken, ist richtig.

Leifer ist jedoch weniger besorgt über diese „Lücke bei der Wahlfreiheit“. “Es könnte sein, dass es eine Art Superdeterminismus gibt, so dass die Wahl der Messeinstellungen beim Urknall festgelegt wurde”, sagt er. “Wir können niemals beweisen, dass dies nicht der Fall ist. Ich denke, es ist fair zu sagen, dass sich die meisten Physiker darüber keine allzu großen Sorgen machen.”

Dieser Artikel wurde mit Genehmigung reproduziert und war erstmals veröffentlicht am 27. August 2015.

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