19-04-2007

Quantenphysik treibt Realisten in die Enge

Anton Zeilinger und seine Mitarbeiter haben die nichtlokale Verschärfung der Bell'schen Ungleichung experimentell überprüft.

Dass die Gesetze der Quantenwelt ein wenig seltsam sind und unserer „realistischen“ Alltagserfahrung oftmals widersprechen, damit hatte man sich ja inzwischen schon abgefunden. Doch nun zeigen Experimente mit polarisationsverschränkten Photonen, die Anton Zeilinger und seine Mitarbeiter an der Universität Wien durchgeführt haben, dass der quantenmechanische Realitätsverlust noch wesentlich weiter geht, als bisher gedacht.

Unserer Alltagserfahrung sagt uns, dass die Dinge bestimmte Eigenschaften haben unabhängig davon, ob wir sie beobachten oder nicht. Der Quantentheorie zufolge ist das anders. So haben zwei Photonen, deren Polarisationen miteinander verschränkt sind, keinen bestimmten Polarisationszustand. Führt man jedoch an einem der beiden Photonen eine Polarisationsmessung durch, so nehmen beide Photonen eine bestimmte Polarisation an, selbst wenn sie Lichtjahre voneinander entfernt sind.

Für lokale Realisten wie Albert Einstein war diese „geisterhafte Fernwirkung“ nicht akzeptabel. Er war davon überzeugt, dass jedes isolierte Objekt bestimmte objektive Eigenschaften haben müsse, die nicht durch weit entfernte Ereignisse verändert werden können. Einstein hielt deshalb die Quantentheorie noch nicht für das letzte Wort, auch wenn sie das physikalische Geschehen richtig beschreiben mochte. Es musste eine tiefergehende Beschreibung möglich sein, die auf bislang noch „verborgene“ physikalische Größen oder Parameter zurückgriff, mit denen sich der Zustand der Objekte lokal und objektiv charakterisieren ließ.

Doch Einsteins lokaler Realismus hat durch die Bell'sche Ungleichung und ihre experimentelle Überprüfung einen tödlichen Schlag erhalten. Als der irische Physiker John Bell vor 40 Jahren seine Ungleichung entwickelte, teilte er noch Einsteins Sichtweise. Doch wie die Ungleichung zeigte, gab es unter der Annahme des lokalen Realismus eine obere Schranke, die die Korrelationen der Spins zweier Teilchen (wie der Photonenpolarisationen) nicht überschreiten konnten. Die Vorhersagen der Quantentheorie wie auch die Messergebnisse befanden sich übereinstimmend oberhalb dieser Schranke. In der Quantenwelt sind also die Dinge bisweilen stärker miteinander korreliert, als es nach dem lokalen Realismus möglich ist.

Lag es nun am Realismus oder an der Lokalitätsforderung, dass eine lokale Theorie mit verborgenen Parametern die Quantenwelt nicht adäquat beschreiben konnte? Darauf geben jetzt Anton Zeilinger und seine Kollegen eine Antwort, indem sie für Photonen eine Ungleichung überprüft haben, die auf Arbeiten von Anthony Leggett zurückgeht. Leggett hatte nichtlokale Theorien mit verborgenen Parametern untersucht, in denen die Teilchen objektive Eigenschaften besitzen, die sich jedoch auch über große Entfernungen gegenseitig beeinflussen können. Eine Informationsübertragung sollte dabei aber, wie in der Quantentheorie, ausgeschlossen sein. Es zeigte sich, dass solche nichtlokalen Theorien der Quantentheorie sehr ähnlich sind, indem sie Bells Ungleichung verletzten. Sie erfüllen jedoch eine zusätzliche Ungleichung, die von der Quantentheorie verletzt wird.

Die neue Ungleichung überprüften die Wiener Forscher an Photonenpaaren, deren Polarisationszustände quantenmechanisch verschränkt waren. Die beiden Photonen eines jeden Paares wurden durch unterschiedlich eingestellte Polarisatoren geschickt, die die Polarisation der Photonen abfragten. Anschließend wurde mit einem Photodetektor festgestellt, ob das jeweilige Photon den Polarisator passiert hatte. Zur Überprüfung von Bells Ungleichung wurde die lineare Polarisation der Photonen mit Hilfe von unterschiedlich ausgerichteten Polarisatoren abgefragt. Für die neue Ungleichung bestimmten die Forscher auch die elliptische Polarisation der Photonen für unterschiedliche Polarisatoreinstellungen. Die daraus berechneten Korrelationen setzten die Forscher sowohl in die Bell'sche wie auch in die neue Ungleichung ein. Während Bells Ungleichung für einen großen Bereich von Polarisatoreinstellungen klar verletzt wurde, war die Verletzung der neuen Ungleichung nur nach erheblichen experimentellen Anstrengungen zu sehen. Doch schließlich zeigte es sich, dass die Photonen auch die neue Ungleichung deutlich verletzten.

Das Verhalten der Photonenpaare, deren Polarisationen verschränkt sind, kann demnach von nichtlokalen Theorien verborgener Parameter nicht erklärt werden. Die einzelnen Photonen haben einfach keinen objektiv feststehenden Polarisationszustand. Zu diesem Schluss kommt man selbst dann, wenn man eine nichtlokale gegenseitige Beeinflussung der Photonenpolarisation zulässt. Die Polarisation der verschränkten Photonen ist also völlig unbestimmt, solange man sie nicht misst. Ob lokal oder nicht: Die realistische Sicht auf die Quantenwelt hat versagt. Wie aber eine nichtrealistische Sicht aussehen könnte, ist noch unklar.

Rainer Scharf

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