Quantenphysik

Interview mit Anton Zeilinger

Quantenphänomene, die man experimentell beweisen kann, sind derzeit noch auf die Welt des Kleinen beschränkt. Das wird nicht so bleiben, meint Anton Zeilinger im Interview mit Waltraud Niel: Physik, Technologie und unser Weltbild bekommen dadurch fundamental neue Anstöße.

Vielfach wird von der Quantenphysik gesagt, sie würde unser Weltbild revolutionieren. Was sind die wichtigsten Erkenntnisse aus der experimentellen Quantenphysik, die im Bewusstsein der "Wissensgesellschaft" verankert sein sollten?

Zeilinger: Eine der fundamentalsten Erkenntnisse der Quantenphysik ist es, dass es einen "reinen Zufall" gibt. Es gibt also Ereignisse, denen keine kausale Bedingung zugrunde liegt. Das hat philosophische Konsequenzen, die nicht zuletzt in eine Diskussion um den freien Willen münden können. Des Weiteren mussten wir uns von der Annahme verabschieden, dass das, was wir beobachten, schon vor der Beobachtung existiert hat. Quantenphänomene, die wir experimentell beweisen konnten, sind zwar noch meist auf die Welt des Kleinen beschränkt. Dennoch können wir nicht so tun, als ginge uns das alles nichts an. Markus Aspelmeyer (früher IQOQI, jetzt Universität Wien) hat bereits Quantensysteme mit ihren kontraintuitiven Eigenschaften hergestellt, die mit freiem Auge sichtbar sind.

Unsere Vorstellungen von Raum und Zeit, die bis heute weitgehend auf Kant zurück gehen, müssen im Lichte der Quantenphysik erweitert werden. Deswegen haben wir auch am IQOQI Wien ein vielversprechendes Programm einer amerikanischen Stiftung laufen, bei dem Philosophen den Physikern im Labor über die Schulter schauen können. Sie erhalten somit Informationen über Quantenphysik aus erster Hand.

Quantenphänomene studiert man normalerweise in ausgeklügelten Experimenten, bei denen spezielle Quantensysteme möglichst gut von der Umgebung abgeschottet werden. Gibt es Hinweise darauf, dass zum Beispiel die Verschränkung auch in einer natürlichen Umgebung vorkommt - bei chemischen Reaktionen, bei der Photosynthese oder bei der Signalverarbeitung durch Neuronen?

Zeilinger: Es gibt Hinweise auf Quantenphänomene bei der Photosynthese beziehungsweise bei der optischen Informationsverarbeitung - aber es ist noch nichts bewiesen. Inwieweit sie in der Informationsverarbeitung belebter Systeme eine Rolle spielen, ist ein heißes Thema. Manchmal habe ich allerdings auch bei Hirnforschern den Eindruck, dass (um mit Morgenstern zu sprechen): "... nicht sein kann, was nicht sein darf". Offensichtlich fällt es manchen sehr schwer, sich von einem kausalen Weltbild zu verabschieden.

Die Frage geht aber auch für uns Physiker tiefer: Reicht unsere heutige Physik überhaupt aus, um Quantenphänomene beim Denken oder im Bewusstsein zu erkennen? Letztlich berühren diese Fragen unseren Begriff von Materie, die man - Erkenntnissen der Quantenphysik zufolge - als Wahrscheinlichkeitsfelder auffassen kann. Sind das Ich, der Geist oder die Seele nun innerhalb des Materiellen?

Quantenphysikalische Gesetzmäßigkeiten zu erkennen schafft auch die Basis für technische Anwendungen. Zum Beispiel die Quantenkryptographie. Was sind nun die größten Hürden, die bis zu einer Anwendung überwunden werden müssen?

Zeilinger: Quantenkryptographie ist technisch bereits anwendbar! Information lässt sich mittels eines verschränkten Systems unter atmosphärischen Bedingungen über die Entfernung einer Großstadt mit einer Datenrate von einem Megabit pro Sekunde übertragen. Diese Rate reicht aus, um einen Kryptografieschlüssel zu übertragen - nicht die Daten selbst! Bis jetzt hatte die Wirtschaft allerdings noch keinen dringenden Bedarf, auf ein prinzipiell abhörsicheres System umzusteigen. Auftretende Sicherheitsprobleme waren bis dato auffangbar. Bei einem großen Vertrauensverlust in konventionelle Systeme - bei einem "Wikileaks der Banken" - wäre Quantenkryptografie sicher eine Alternative.

Forschungsgruppen aus dem anwendungsorientierten Bereich arbeiten derzeit an der Übertragbarkeit größerer Datenraten oder an entsprechend angepasster Software. Das Hauptinteresse am IQOQI Wien aber gilt der Überwindung größerer Entfernungen. Für dieses Ziel ist eine ganz andere Technologie nötig, die über Satelliten realisierbar erscheint. Nach langjähriger Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumkommission (ESA) sowie ein 2010 abgeschlossener Kooperationsvertrag zwischen ÖAW und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ermöglicht es uns, an einem diesbezüglichen Satellitenprogramm federführend dabei zu sein.

Dabei steht die Demonstration von grundsätzlichen Aspekten der Übertragung zwischen zwei sehr weit entfernten Punkten im Vordergrund. Es soll gezeigt werden, dass man mittels verschränkter Photonen, die an Bord eines Satelliten erzeugt werden, einen Ort irgendwo auf der Welt, vielleicht in China, mit einem Ort in Österreich verbinden kann. Wenn das gelingt, kann man daran arbeiten, eine quantenkryptographische Verschlüsselung über sehr große Entfernungen zu übertragen.

Im Jahr 2003 wurde das ÖAW-Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) mit Sitz in Wien und Innsbruck gegründet. Der Wiener Zweig wurde im Dezember 2010 Partner im Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) - zusammen mit Universität Wien und TU Wien. Was ist das Ziel dieser neuen Kooperation?

Zeilinger: Das Entscheidende ist: Wir müssen international noch sichtbarer werden! Österreich ist ein kleiner Punkt auf der Landkarte. Und deshalb müssen wir uns hüten, hier auch noch kleinräumig zu denken. Der FWF hat das früh erkannt und beispielsweise überregionale Spezialforschungsbereiche gefördert. Auch die ÖAW gründete 2003 das IQOQI mit einem Wiener und einem Innsbrucker Standort. Wir sind beide Teil eines sehr erfolgreichen Spezialforschungsbereiches - und die damit verbundenen regelmäßigen Treffen sind vor allem für die jungen Leute essentiell.

Das vor Kurzem gegründete, derzeit noch virtuelle, VCQ ist ein weiterer Schritt um die Sichtbarkeit der österreichischen Quantenforschung zu erhöhen. Ermutigt durch den Erfolg des IQOQI Wien, der den institutionellen Rahmen mittlerweile gesprengt hat, bauen wir im VCQ ein Institutionen übergreifendes Forschungszentrum auf: mit ÖAW, Universität Wien und TU Wien als Partner. Im VCQ können wir die Zukunft gemeinsam planen, und werden attraktiver für die besten jungen Forscherinnen und Forscher.