Es ist eine weitere Best?tigung der Quantenmechanik: Eine Forschergruppe um Andreas Wallraff, ETH-Professor f¨¹r Festk?rperphysik, konnte mit einem sogenannten schlupflochfreien Bell-Test das Konzept der ?lokalen Kausalit?t? widerlegen, das von Albert Einstein als Antwort auf die Quantenmechanik formuliert wurde. Sie konnten damit nachweisen, dass weit entfernte, quantenmechanische Objekte viel st?rker miteinander korreliert sein k?nnen, als dies bei klassischen Systemen m?glich ist. Das Besondere daran: Den Z¨¹rcher Forschenden gelang dieses Experiment zum ersten Mal mit supraleitenden Schaltkreisen. Diese gelten als heisse Kandidaten f¨¹r den Bau von leistungsf?higen Quantencomputern.
Ein alter Streit
Ein Bell-Test basiert auf einer Versuchsanordnung, die vom britischen Physiker John Bell in den 1960er-Jahren zun?chst als Gedankenexperiment erdacht wurde. Bell wollte damit eine Frage kl?ren, ¨¹ber die bereits in den 1930er-Jahren die damaligen Gr?ssen der Physik gestritten haben: Stimmen die Voraussagen der Quantenmechanik, die der Alltagsintuition v?llig zuwider laufen, oder gelten im atomaren Mikrokosmos ebenfalls die klassischen Vorstellungen von Kausalit?t, wovon Albert Einstein ¨¹berzeugt war?
Um diese Frage zu beantworten, schlug Bell vor, an zwei verschr?nkten Teilchen gleichzeitig eine zuf?llige Messung durchzuf¨¹hren und diese anhand der Bell¡¯schen Ungleichung zu ¨¹berpr¨¹fen. Stimmt Einsteins Konzept der lokalen Kausalit?t, dann wird die Bell¡¯sche Ungleichung bei diesen Experimenten immer erf¨¹llt. Im Gegensatz dazu sagt die Quantenmechanik voraus, dass die Ungleichung verletzt wird.
Die letzten Zweifel ausger?umt
Anfang der 1970er-Jahre f¨¹hrten John Francis Clauser, der letztes Jahr mit dem Nobelpreis f¨¹r Physik ausgezeichnet wurde, und Stuart Freedman erstmals konkret einen Bell-Test durch. In ihren Experimenten konnten die beiden nachweisen, dass die Bell¡¯sche Ungleichung tats?chlich verletzt wird. Allerdings mussten Clauser und Freedman bei ihren Experimenten gewisse Annahmen machen, damit sie die Versuche ¨¹berhaupt durchf¨¹hren konnten. Es h?tte theoretisch also immer noch sein k?nnen, dass Einstein mit seiner Skepsis gegen¨¹ber der Quantenmechanik richtig lag.
Im Laufe der Zeit konnten dann immer mehr dieser sogenannten Schlupfl?cher geschlossen werden, bis es schliesslich 2015 verschiedenen Gruppen gelang, die ersten wirklich schlupflochfeien Bell-Tests durchzuf¨¹hren und damit die alte Streitfrage endg¨¹ltig zu kl?ren.
Vielversprechende Anwendungen
Wallraffs Gruppe kann diese Ergebnisse nun mit einem neuartigen Experiment best?tigen. Die von den ETH-Forschenden in der renommierten Fachzeitschrift ?Nature? ver?ffentlichte Arbeit zeigt, dass das Thema trotz der erstmaligen Best?tigung vor sieben Jahren noch nicht abgeschlossen ist. Das hat mehrere Gr¨¹nde: Zum einen best?tigt das Experiment der ETH-Forschenden, dass supraleitende Schaltkreise ebenfalls nach den Gesetzen der Quantenmechanik funktionieren, obwohl sie im Vergleich zu mikroskopischen Quantenobjekten wie Photonen oder Ionen eine beachtliche Gr?sse haben. Die mehrere hundert Mikrometer grossen elektronischen Schaltkreise, die aus supraleitenden Materialien bestehen und bei Mikrowellenfrequenzen betrieben werden, werden auch als makroskopische Quantenobjekte bezeichnet.
Zum anderen haben Bell-Tests auch eine praktische Bedeutung. ?Mit abge?nderten Bell-Tests kann man beispielsweise in der Kryptographie demonstrieren, dass Informationen tats?chlich verschl¨¹sselt ¨¹bermittelt werden?, erkl?rt Simon Storz, Doktorand in Wallraffs Gruppe. ?Mit unserem Ansatz k?nnen wir viel effizienter nachweisen, dass die Bell¡¯sche Ungleichung verletzt wird, als dies bei anderen Versuchsanordnungen m?glich ist. Das macht unseren Ansatz f¨¹r praktische Anwendungen besonders interessant.?