Sternenlicht schließt Quanten-Schlupfloch

„Existiert der Mond auch dann, wenn keiner hinsieht?” Viele Annahmen der Quantenmechanik widersprechen fundamental den klassischen Gesetzen der Physik, weswegen Albert Einstein als Reaktion darauf diese Frage in den Raum gestellt hatte. Denn tatsächlich sind Teilchen, die ihre Eigenschaften erst annehmen, wenn man hinsieht und somit eine Realität, die nicht unabhängig vom Beobachter existiert, nur schwer mit unserem Weltbild vereinbar. Besonders skeptisch betrachtete Einstein das quanten­physikalische Phänomen der Verschränkung. Es besagt, dass die Messung an einem von zwei Teilchen augenblicklich auch den bis dahin undefinierten Zustand des anderen Teilchens festlegt – und zwar unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind und obwohl keine Information zwischen den beiden ausgetauscht wird. Einstein bezeichnete diese seltsame Korrelation als „spukhafte Fernwirkung” und suchte nach bisher verborgenen Variablen, um sie doch noch mit der Physik Newtons erklären zu können.

Doch Einstein irrte sich, wie ein neues Experiment von Wissenschaftlern rund um Anton Zeilinger vom Institut für Quanten­optik und Quanten­information (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) zeigt. Nun berichten die Forscher, wie sie in einem „Cosmic Bell Test” mittels 600 Jahre altem Licht von zwei Sternen aus entgegengesetzten Richtungen der Milchstraße Einsteins verborgene Variablen als Erklärung für die Quanten­verschränkung ausschließen konnten.

Bereits 1964 hatte der nordirische Physiker John Stewart Bell einen Vorschlag formuliert, wie sich die quanten­physikalische Verschränkung experimentell überprüfen lässt. Seitdem wurden weltweit zahlreiche dieser Bell-Tests durchgeführt. Allerdings enthielten alle diese Experimente „Schlupflöcher", sodass Einsteins Skepsis bis heute nicht gänzlich widerlegt werden konnte.

„Bei einem dieser Schlupflöcher handelt es sich um das ‚Schlupfloch der freien Wahl‘", erklärt ÖAW-Forscher Johannes Handsteiner. Teilchen und Mess­einrichtung könnten also theoretisch vor dem Experiment kausal beeinflusst sein. Die gemessene Korrelation der Teilchen wäre dann nicht mehr zufällig zustande gekommen. „Um eine vorherige ‚Absprache' zwischen Teilchen und Messapparat auszuschließen, muss daher die genaue Einstellung des letzteren frei und unabhängig von den Teilchen gewählt werden", verdeutlicht Handsteiner.

Während in früheren Experimenten die Wahl der Messeinstellung mit erdgebundenen Zufallsgeneratoren getroffen wurde, oder, wie erst kürzlich beim sogenannten „Big Bell Test", mittels tausender zufälliger menschlicher Entscheidungen, haben die Wiener Forscher – zum ersten Mal in der Geschichte der Bell Tests – stellare Lichtquellen zur Steuerung ihres „Cosmic Bell Tests" verwendet.

Bei ihrem Experiment erzeugten die Forscher zunächst verschränkte Photonen­paare im Labor des IQOQI und schickten sie vom Hedy-Lamarr-Teleskop auf dem Dach des ÖAW-Instituts zu getrennten Messstationen bei der Österreichischen National­bank und der Universität für Boden­kultur Wien. Dort befanden sich astronomische Teleskope, um Sternenlicht einzufangen. Mit diesem Sternenlicht wurden dann die Einstellungen für die Messung der verschränkten Teilchen gesteuert.

Die Idee dahinter, die auf Überlegungen des Physikers David Kaiser und Kollegen vom US-amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT) basiert: Jedes einzelne stellare Licht­teilchen bestimmt durch seine Farbe, die bei seiner Erzeugung am Stern festgelegt wurde, die Einstellung der Messung auf der Erde. Da diese Photonen von Sternen stammen, die Lichtjahre voneinander als auch von der Erde entfernt sind, hätte die Wahl der Mess­einstellung bereits vor 600 Jahren erfolgen müssen, also lange bevor das Experiment in Wien durchgeführt wurde.

„Mit dem Cosmic Bell Test konnten wir das ‚Schlupfloch der freien Wahl' um 16 Größen­ordnungen gegenüber vorherigen Bell Tests schließen", sagt Quanten­physiker Anton Zeilinger. „Die Wahrscheinlichkeit, dass es verborgene Variablen gibt, die alternativ zur Verschränkung geführt haben, ist somit noch geringer als bisher. Denn ein Einfluss auf das Mess­ergebnis hätte weit vor Gutenbergs Erfindung des Buchdrucks stattfinden müssen." Für künftige Experimente planen die Forscher Schritt für Schritt noch weiter in der Vergangenheit zurückzugehen – möglichst bis zu einer Zeit knapp nach dem Urknall.

ÖAW / DE