Paul-Ehrenfest-Preis für Publikation zur Quantenkontextualität

Großer Erfolg für Physiker der Uni Siegen: Für den Beweis einer 25 Jahre alten Vermutung im Bereich der Quanten­physik erhalten Zhen-Peng Xu, Otfried Gühne und ihr Kollege Jing-Ling Chen aus Tianjin in China den Paul-Ehrenfest-Preis. Das Institut für Quantenoptik und Quanten­information der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften in Wien zeichnet damit jährlich die international beste Publikation über Grund­lagen­probleme der Quanten­physik aus. Paul Ehrenfest war ein öster­reichischer Physiker und Freund von Albert Einstein, der bahn­brechende Resultate über die Quanten­physik erzielte.

In ihrer preis­ge­krönten Veröffent­lichung haben sich die drei Forscher mit einem grund­legenden Phänomen beschäftigt, der Quanten­kontextualität. Danach sollte man sich davor hüten, von möglichen Mess-Resultaten zu sprechen, wenn man eine Messung nicht tatsächlich durch­ge­führt hat. „In vielen Alltags­situationen, zum Beispiel in der Schule oder bei der Führer­schein­prüfung, geht es darum, Fragen zu stellen oder zu beantworten“, erklärt Xu. „Zu einer Frage gehört dabei immer auch eine eindeutige Antwort. Diese Antwort existiert unabhängig davon, ob die Frage tatsächlich gestellt wurde oder nicht.“

Außerhalb der Quanten­physik erscheint das logisch – der Kanadier Simon Kochen und der Schweizer Ernst Specker zeigten jedoch schon vor über fünfzig Jahren, dass die Quantenphysik anders funktioniert. Die beiden Physiker konstru­ierten einen Satz von 117 Messungen, die als Fragen an ein physi­ka­lisches System verstanden werden können. Nimmt man dann jedoch an, dass all diese Fragen eindeutige und vorher­bestimmte Antworten haben, so ergibt sich ein Widerspruch.

Das Originalargument von Kochen und Specker ist kompliziert, weshalb in den Folge­jahren viele Physiker und Mathematiker versuchten, einfachere Argumente zu finden. Im Jahr 1996 fand der spanische Physiker Adán Cabello schließlich einen Beweis, der statt 117 nur 18 Messungen, beziehungs­weise Fragen benötigte. Doch ist das bereits der einfachste Beweis? Oder ist es eventuell auch mit noch weniger Messungen möglich, einen Widerspruch der Quantenphysik zum klassischen Verständnis nach­zu­weisen? Das blieb offen und konnte trotz intensiver Forschungen nicht gezeigt werden.

Xu und seinen Kollegen gelang es jetzt zu beweisen, dass kein einfacheres Argument möglich ist. Der Trick der Forscher bestand darin, das Problem in die Sprache der Graphen­theorie zu übersetzen: Die 18 Fragen werden dabei als graphisches Schaubild dargestellt, bei dem verschiedene Gruppen von Knoten­punkten nach bestimmten Regeln mit­ein­ander verbunden sind.

„Xu hatte die schöne Idee, die Graphen­theorie mit Methoden der Optimierung zu verbinden, um das alte Problem neu anzugehen“, erläutert Gühne. „Durch seine Resultate können wir nun die einfachsten Situationen unter­suchen, in denen Quanten­kontextualität vorkommt. Damit können wir zum Beispiel klären, in welchen Fällen sie der Grund dafür ist, dass Quanten­computer schneller sind als klassische Computer.“

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z.-P. Xu, J.-L. Chen & O. Gühne: Proof of the Peres Conjecture for Contextuality, Phys. Rev. Lett. 124, 230401 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.230401
• Theoretische Quantenoptik (O. Gühne), Naturwissenschaftlich-technische Fakultät, Universität Siegen
• O. Gühne und M. Kleinmann, Auf den Kontext kommt es an, Physik Journal, Februar 2013, S.25 PDF