Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger gewinnen den Nobelpreis für Physik 2022

Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger haben den Nobelpreis für Physik 2022 gewonnen. Das Trio gewann „für ihre Experimente mit verschränkten Photonen, den Nachweis der Verletzung der Bellschen Ungleichungen und ihre Pionierarbeit in der Quanteninformationswissenschaft“.

Der Preis wird im Dezember in Stockholm verliehen und ist mit 10 Millionen Kronen (900,000 US-Dollar) dotiert. Es wird zu gleichen Teilen zwischen den Gewinnern aufgeteilt.

Die drei Preisträger führten unabhängig voneinander Schlüsselexperimente durch, die die Quanteneigenschaft der Verschränkung bewiesen. Dies ist ein merkwürdiger Effekt, bei dem zwei oder mehr Teilchen viel stärkere Korrelationen aufweisen, als dies in der klassischen Physik möglich ist. Verschränkung spielt eine wichtige Rolle bei Quantencomputern, die prinzipiell herkömmliche Computer bei einigen Aufgaben übertreffen könnten.

Bellsche Ungleichung

In allen drei Experimenten wurden Verletzungen der Bellschen Ungleichung gemessen, die den Korrelationen, die in einem klassischen System beobachtet werden können, Grenzen setzt. Solche Verletzungen sind eine wichtige Vorhersage der Quantentheorie.

Das erste Experiment wurde 1972 an der University of California in Berkeley von Clauser durchgeführt, der die Korrelationen zwischen den Polarisationen von Photonenpaaren maß, die bei einem atomaren Übergang erzeugt wurden. Er zeigte, dass die Bellsche Ungleichung verletzt wurde – was bedeutete, dass die Photonenpaare verschränkt waren.

Allerdings gab es bei diesem Experiment mehrere Mängel oder „Lücken“, die es nicht schlüssig machten. Es ist beispielsweise möglich, dass die detektierten Photonen keine angemessene Stichprobe aller von der Quelle emittierten Photonen waren – was die Erkennungslücke darstellt. Es ist auch möglich, dass einige Aspekte des Experiments, die als unabhängig gelten, irgendwie kausal miteinander verbunden waren – was die Lokalitätslücke darstellt.

Zehn Jahre später, 1982, verbesserten Aspect und Kollegen an der Université Paris-Sud in Orsay, Frankreich, Clausers Experiment, indem sie ein Zweikanal-Detektionsschema verwendeten. Dadurch wurde vermieden, Annahmen über die detektierten Photonen zu treffen. Außerdem variierten sie während ihrer Messungen die Ausrichtung der Polarisationsfilter. Auch hier stellten sie fest, dass die Bellsche Ungleichung verletzt war.

Dritte Lücke

Die Lokalitätslücke wurde 1998 von Zeilinger und Kollegen an der Universität Innsbruck in Österreich geschlossen. Sie verwendeten zwei völlig unabhängige Quantenzufallszahlengeneratoren, um die Richtungen der Photonenmessungen festzulegen. Infolgedessen wurde die Richtung, in der die Polarisation jedes Photons gemessen wurde, im letzten Moment festgelegt, sodass kein Signal, das sich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, Informationen auf die andere Seite übertragen konnte, bevor dieses Photon registriert wurde.

Die drei Experimente bestätigten nicht nur eine grundlegende Vorhersage der Quantenmechanik, sondern legten auch den Grundstein für die Entwicklung moderner Quantentechnologien.

Auf der Pressekonferenz anlässlich der Preisverleihung sagte Zeilinger, er sei „sehr überrascht“, einen Anruf des Nobelkomitees zu erhalten. „Dieser Preis ist eine Ermutigung für junge Menschen und der Preis wäre ohne mehr als 100 junge Menschen, die im Laufe der Jahre mit mir zusammengearbeitet haben, nicht möglich. Ich allein hätte das nicht erreichen können.“

Zeilinger sagte auch, er wünsche sich von dem Preis eine Förderung junger Forscher.

„Mein Rat an junge Menschen wäre, das zu tun, was sie interessant finden, und sich nicht zu sehr um mögliche Anwendungen zu kümmern. Andererseits ist diese Anerkennung sehr wichtig für die zukünftige Entwicklung möglicher Anwendungen. Ich bin gespannt, was wir in den nächsten 10–20 Jahren sehen werden.“

Eine tiefgreifende Wirkung

Sheila Rowan, Präsident des Instituts für Physik, das veröffentlicht Physik-WeltEr gratulierte dem Trio zu seiner „wohlverdienten“ Anerkennung. „Dies ist ein Bereich der Physik mit anhaltenden, tiefgreifenden Auswirkungen auf einer grundlegenden Ebene, der dabei hilft, die Welt um uns herum zu verstehen, und der erforscht wird, um heute in hochneuen Technologien für die Sensorik und Kommunikation zum Einsatz zu kommen“, fügte sie hinzu.

Quantenphysiker Artur Ekert von der Universität Oxford sagt, er sei zwar „glücklich“, dass das Fachgebiet und das Trio mit dem diesjährigen Nobelpreis ausgezeichnet werden, fügt aber hinzu, dass es „schade“ sei, dass John Bell, der die Ungleichheiten formuliert hat, das verpasst hat, da er starb 1990 und Nobelpreise werden nicht posthum verliehen.

Ekert fügt hinzu, dass das Aufkommen der Quantenkryptographie eine zusätzliche Motivation darstellt, die Bell-Ungleichungsexperimente an ihre Grenzen zu bringen. „Aus wissenschaftlicher Sicht denke ich, dass die Bell-Ungleichheitsexperimente einfach durchgeführt werden mussten – sie widerlegen eine bestimmte Weltanschauung und sind daher wichtig“, fügt Ekert hinzu. „Alle Lücken in solchen Experimenten zu schließen, ist eine andere Geschichte. Dies ist wahrscheinlich für die Quantenkryptographie-Perspektive wichtiger, denn wenn wir Bell-Ungleichungen zur Erkennung von Abhörversuchen nutzen wollen, müssen wir die Lücken schließen.“

Glückwünsche kamen auch von denen, die versuchen, die Arbeit von Aspect, Clauser und Zeilinger für praktische Anwendungen zu nutzen. In einer gemeinsamen Erklärung äußerten sich Ilyas Khan und Tony Uttley, CEO bzw. Präsident des Quantentechnologieunternehmens Quantum„Sie waren begeistert“ von der Ankündigung.

„Diese Anerkennung der Leistungsfähigkeit von Quanteninformationssystemen ist in vielerlei Hinsicht zeitgemäß, aber vor allem ist sie eine wunderbare Anerkennung der Tatsache, dass experimentelle Fortschritte die Revolution der Quantentechnologien unterstützen, die wir in Angriff nehmen.“

Ein Leben in der Wissenschaft

Aspect wurde am 15. Juni 1947 in Agen, Frankreich, geboren. Er bestand 1969 die „agrégation“ – die nationale französische Prüfung – in Physik und erhielt zwei Jahre später seinen Master-Abschluss von der Université d'Orsay. Anschließend begann er ein Doktoratsstudium in Orsay, wo er an experimentellen Tests der Bellschen Ungleichungen arbeitete, die er 1983 abschloss.

Nach einem Lehrauftrag an der Ecole Normale Supérieure de Cachan, den Aspect während seiner Doktorarbeit innehatte, arbeitete er 1985 am Collège de France in Paris. 1992 wechselte er dann an das Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique der Université Paris-Saclay.

Clauser wurde am 1. Dezember 1942 in Pasadena, Kalifornien, geboren. Er erhielt 1964 seinen Bachelor-Abschluss in Physik vom California Institute of Technology und zwei Jahre später seinen Master-Abschluss in Physik. 1969 promovierte er in Physik an der Columbia University.

Von 1969 bis 1975 war Clauser Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory und von 1975 bis 1986 arbeitete er am Lawrence Livermore National Laboratory. Nach einer Tätigkeit als leitender Wissenschaftler bei der US-Firma Science Applications International Corporation wechselte er 1990 an die University of California, Berkeley, wo er sich bis 1997 auf sein Forschungs- und Beratungsunternehmen JF Clauser & Associates konzentrierte.

Anton Zeilinger: ein Quantenpionier

Zeilinger wurde am 20. Mai 1945 in Ried im Innkreis, Österreich, geboren. 1963 begann er ein Studium der Physik und Mathematik an der Universität Wien und schloss 1971 sein Doktorat in Atomphysik ab. Anschließend arbeitete er bis 1983 am Atominstitut in Wien, bevor er an die Technische Universität Wien wechselte.

1990 wechselte Zeilinger an die Universität Innsbruck und arbeitete 1999 an der Universität Wien, wo er von 2004 bis 2013 auch Direktor des in Wien ansässigen Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation war. 2013 war er Präsident der Österreichischen Akademie of Sciences, eine Position, die er bis zu diesem Jahr innehatte.