Quantenphysik Experiment soll Einsteins Quantenspuk im Großen beweisen
Vielleicht sollten Physiker nicht von Verschränkung sprechen, sondern eher von Verrenkung. Denn genau das kann mit den Gedanken geschehen, wenn Theoretiker diesen seltsamen quantenmechanischen Effekt zu erklären versuchen: Zwei Photonen befinden sich weit voneinander entfernt, doch sie verhalten sich wie zwei Synchronschwimmer. Was der eine tut, macht der andere auch, egal ob es die Polarisation - oder bei zwei Protonen den Spin - betrifft.
Der Wiener Physiker Anton Zeilinger nutzte 1997 die Verschränkung, um Quantenzustände über mehrere Hundert Meter von einem Ufer der Donau zum anderen zu teleportieren. Bislang gingen die meisten Physiker davon aus, dass solche Verschränkungen - wie viele andere quantenmechanische Phänomene auch - nur bei mikroskopischen Objekten auftreten können.
Forscher vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover glauben aber, dass sich auch größere Objekte verschränken lassen. "Wir haben gezeigt, dass es theoretisch geht", sagt Roman Schnabel im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Gemeinsam mit vier Kollegen hat er soeben die Theorie der Verschränkung zweier Spiegel im renommierten Fachblatt "Physical Review Letters" veröffentlicht. Nun planen die Wissenschaftler das Experiment dazu.
Im Prinzip gleicht das Vorhaben dem Versuch, zwei Würfel dazu zu bringen, bei jedem Wurf die gleiche Augenzahl anzuzeigen. Und selbst wenn die Würfel sich in verschiedenen Räumen oder Gebäuden befänden, ihr Verhalten wäre stets absolut synchron. Genau das ist das charakteristische Merkmal für miteinander verschränkte Objekte.
Quantenphänomen zum Anfassen
Die Physiker aus Hannover wollen jedoch statt Würfeln zwei Spiegel synchronisieren. Im Experiment soll ein Laserstrahl in zwei Teile aufgespalten werden, die sich daraufhin in einem Winkel von 90 Grad voneinander entfernen. Nach jeweils zehn Metern Weg treffen sie auf je einen hochreflektierenden Superspiegel. Die beiden Spiegel sollen mehrere Kilogramm schwer sein und hängen im Vakuum an Quarzfäden - zum Schutz vor Vibrationen und Störungen von außen. Am Ausgangspunkt der Aufspaltung kommen die Strahlen schließlich wieder zusammen und überlagern sich so weit der Plan. "Das Interferenzmuster erlaubt Rückschlüsse auf Orte und Impulse der Spiegel relativ zueinander", erklärt Schnabel.
Wie aber kommt es zur eigentlichen Verschränkung? Das sei nicht so leicht zu erklären, räumt der Physiker ein, der als Juniorprofessor an der Universität Hannover lehrt. "Der Laserstrahl hat Rückwirkungen auf den Spiegel, dieser wird angestoßen." Zu Beginn des Experiments handle es sich noch um völlig normales Laserlicht. Das ändere sich dann aber: "Es kommt zu einer Kopplung von Laserlicht und Spiegeln", erklärt Schnabel. Sowohl die beiden Laserstrahlen als auch die Spiegel würden dadurch miteinander verschränkt. "Der Laser ist zugleich das erzeugende und das beobachtende Medium."
Wenn die Spiegel verschränkt sind, müssten ihre Pendelbewegungen unvorhersagbar sein - trotzdem würden sie sich perfekt synchron bewegen. Bei dem geplanten Experiment wäre dieses Verhalten an den beiden Lichtmustern zu erkennen, meint Schnabel: Die beiden Lichtmuster würden sich ständig in unvorhersagbarer Art und Weise, aber im Gleichtakt ändern.
Zufällig und synchron zugleich
"Die Kombination von echter Unvorhersagbarkeit und perfekter Korrelation macht den Effekt der Verschränkung aus", erklärt Schnabel. Deshalb sei das Experiment auch gut mit den zwei Würfeln zu vergleichen, die stets identische, jedoch zufällige Augenzahlen liefern.
Dass zwei Objekte auf solch mysteriöse Weise verbunden sein können, war dem Begründer der Relativitätstheorie, Albert Einstein, nicht so recht geheuer. Er zweifelte an dem Phänomen und bezeichnete es abschätzig als "spukhafte Fernwirkung". 1982 konnte der französische Forscher Alain Aspect jedoch beweisen, dass es die Einstein so suspekte Verschränkung tatsächlich gibt.
Die Max-Planck-Forscher aus Hannover sind nicht die einzigen, die derzeit versuchen, die Gültigkeit der Quantenmechanik für größere Objekte zu beweisen. Wiener Forscher um Anton Zeilinger und Markus Aspelmeyer setzen dabei zum Beispiel auf mit Laserlicht gekühlte Systeme. "Die Theorie der Quantenmechanik sagt nicht, dass es eine Grenze für Quantenphänomene gibt", sagte Zeilinger im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE.
Welche Wirkung hat die Schwerkraft?
Sein Team hofft, durch Kühlung makroskopischer Systeme die Tür zur Quantenmechanik aufzustoßen. "Bei extrem tiefen Temperaturen gibt es keine Wechselwirkungen mit der Umgebung", erklärte Zeilinger. Diese Wechselwirkung, auch allgemein als Dekohärenz beschrieben, gilt als Ursache dafür, dass quantenmechanische Phänomene im Alltag nicht beobachtet werden. "Wir glauben, dass man eines Tages Quanteneffekte bei Viren oder Mikroorganismen sehen kann", sagte Zeilinger. "Zum Beispiel die Superposition, also die Überlagerung von zwei Zuständen."
Ausdrücklich erwähnte der Wiener Physiker auch die Verschränkung makroskopischer Objekte, er glaubt somit wie seine deutschen Kollegen prinzipiell daran, dass das Phänomen nicht auf die Welt des Mikrokosmos beschränkt ist. "Wir wollen dieses Experiment am Albert-Einstein-Institut in Hannover durchführen", sagt Schnabel. "Sollten wir tatsächlich eine Verschränkung zwischen den Spiegeln finden, wäre das eine kleine Sensation."
Es gibt freilich Physiker, die bezweifeln, ob das Experiment überhaupt gelingen kann. Der Brite Roger Penrose, unter anderem Entdecker einer nach ihm benannte Parkettierung, glaubt beispielsweise, dass die Schwerkraft die Verschränkung prinzipiell verhindern könnte. Das Kraftfeld, das makroskopische Objekte zwangsläufig erzeugen, sei zu groß und zerstöre quantenmechanische Effekte. Wer Recht hat, wird wohl erst das Experiment zeigen. Es soll in diesem Jahr beginnen, mit ersten Ergebnissen rechnen die Forscher 2009 oder 2010.
