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Nobelpreis-Lecture
von Anton Zeilinger

Wie kam Anton Zeilinger auf die Idee, das Phänomen der Quantenverschränkung zu erforschen? Welche Hürden galt es dabei zu überwinden? Und wie ordnet er seine wissenschaftlichen Erkenntnisse selber ein? In der Nobelpreis-Lecture geht Anton Zeilinger darauf sowie auf viele weitere Hintergründe seiner Arbeiten, die 2022 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden, ein.

Verfolgen Sie die Lecture hier:

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Donnerstag, 8. Dezember 2022, 09:00

Live-Stream der Nobelpreis-Zeremonie

Verfolgen Sie auch die feierliche Verleihung des Nobelpreises für Physik an Anton Zeilinger hier.

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Samstag, 10. Dezember 2022, 16:00



Anton Zeilinger und seine Forschungen:

Curriculum Vitae

Geboren 1945 in Ried/Innkreis in Oberösterreich, studierte Anton Zeilinger Physik und Mathematik an der Universität Wien. Nach seiner Dissertation im Jahr 1971 war er Forschungsassistent am Atominstitut in Wien und anschließend Fulbright Fellow am Neutron Diffraction Laboratory des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Zurück in Wien, habilitierte er sich 1979 an der Technischen Universität Wien.

Wien war ein besonderer Ort. Mein Doktorvater Helmut Rauch (…) hat ein Klima geschaffen, wo man Dinge machen konnte. Das war ungewöhnlich und weltweit nicht oft der Fall: Dass man nur seiner Neugierde nachgehen kann.” Anton Zeilinger, 2022.

Sein einzigartiger beruflicher Werdegang führte ihn zunächst zurück ans MIT, wo er bis 1983 als Associate Professor fungierte. Bis 1990 war er Assistenzprofessor an der Technischen Universität Wien sowie an der Technischen Universität München. 1990 folgte er dem Ruf als Professor für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck, bevor er 1999 die Professur für Experimentalphysik an der Universität Wien antrat, die er bis zu seiner Emeritierung 2013 bekleidete.

Weitere Stationen und Forschungsaufenthalte führten Anton Zeilinger unter anderem ans Collége de France sowie an die Oxford University. Im Fokus seiner Forschungsarbeiten stand und steht das Phänomen der quantenphysikalischen Verschränkung, die rätselhafte Verbindung zwischen zwei Teilchen, die unabhängig von ihrer Entfernung einen identischen Zustand annehmen.

Höchste Preise

Bei den ersten Experimenten wurde ich gefragt, wozu das gut sein soll. Ich habe ganz stolz geantwortet: Das ist für nichts gut. Das mache ich nur aus Neugierde, weil ich von der Quantenphysik von Anfang an vollkommen begeistert war.” 
Anton Zeilinger, 2022.  

Für seine wissenschaftlichen Durchbrüche auf diesem Gebiet erhielt er zahlreiche nationale wie internationale Auszeichnungen und Ehrungen, darunter das Österreichische Ehrenzeichen für Wissenschaft und Kunst, der Descartes Preis der Europäischen Kommission, die Isaac Newton Medaille (UK), der Orden Pour le Mérite, der Israelische Wolf Preis, der John Stewart Bell Prize sowie der chinesische Micius-Preis. Er ist Mitglied in einer Reihe namhafter wissenschaftlicher Akademien wie etwa der American Association for the Advancement of Science, der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina oder der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

2003 gründete Anton Zeilinger das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) mit, deren Mitglied er seit 1994 ist. Von 2004 bis 2013 leitete er das Institut in Wien, bevor er zum Präsidenten der ÖAW gewählt wurde.

Bis 2022 stand er der Akademie als Präsident vor, betrieb zugleich weiterhin quantenphysikalische Forschungen, die weltweit für große Aufmerksamkeit sorgten. Für seine wissenschaftlichen Errungenschaften und Leistungen wurde Anton Zeilinger schließlich 2022 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Heinz Faßmann, der dem Quantenphysiker im Juli 2022 als Präsident der ÖAW nachfolgte, gratuliert Anton Zeilinger zum Nobelpreis sehr herzlich: "Es ist die Auszeichnung für einen kompromisslosen Grundlagenforscher, der das Unentdeckte entdeckt hat und das bisher Unerklärte erklären konnte."


Forschungen von Anton Zeilinger
 

Was ist Quantenverschränkung?

Die Verschränkung ist eine der seltsamen Eigenschaften von Quantensystemen, die sich mit klassischen Theorien nicht beschreiben lassen. Albert Einstein hat das Phänomen einst als “spukhafte Fernwirkung” bezeichnet, weil zwei Teilchen in einem quantenmechanischen Verschränkungszustand einander auch über astronomische Distanzen hinweg verbunden bleiben: Wenn eine Messung an einem der Teilchen durchgeführt wird, wird im selben Moment auch der Zustand des anderen Teilchens festgelegt. Das scheint auf den ersten Blick einen der Grundsätze der klassischen Physik - nämlich dass nichts schneller als Licht reisen kann - zu verletzen.

Zwei Würfel, ein System

Um eine Vorstellung davon zu bekommen, was Verschränkung ist, können wir uns zwei Würfel vorstellen. Nach den Regeln der klassischen Physik macht es keinen Unterschied, ob wir jeden Würfel in einem eigenen Becher würfeln oder beide in einem gemeinsamen Becher würfeln. Die Zustände sind in jedem Moment genau definiert und die beiden Würfel liefern unabhängig voneinander mit der Wahrscheinlichkeit von je einem Sechstel eine Zahl von eins bis sechs.

Ein Quantenwürfel ist etwas komplizierter: Wenn wir einen solchen Würfel in einem Becher schütteln, ist sein Zustand nicht genau definiert, bis wir nachsehen. Davor befindet er sich in einem Überlagerungszustand aus allen möglichen Ergebnissen. Wenn wir zwei Becher mit je einem Würfel haben, beeinflussen sich die Ergebnisse auch in der Quantenwelt nicht. Wenn wir aber beide Würfel in einem Becher schütteln, kommt es zu einer Verschränkung. Wenn wir die Würfel danach, ohne ihre Augenzahl abzulesen, trennen und behutsam voneinander entfernen, bleiben sie verschränkt.

Die Würfel bilden durch die Verschränkung ein gemeinsames Quantensystem, egal wie weit wir sie voneinander entfernen, bevor wir die Augenzahl ablesen. Beide Würfel befinden sich dann in einem gemeinsamen Überlagerungszustand, den wir uns als eine bestimmte Gesamtaugenzahl der Würfel vorstellen können, zum Beispiel 7. Wenn ich die Augenzahl von Würfel A in Wien überprüfe und eine Drei vorfinde, wird auch der Zustand von Würfel B in Beijing ohne Zeitverzögerung definiert: Es ist eine Vier. Damit nimmt jeder einzelne Würfel wieder einen unabhängig definierten Zustand ein und die Verschränkung endet.

Sichere Kommunikation und Quantencomputer

Zur überlichtschnellen Übertragung von Information kann ein Quantenwürfelpaar nicht verwendet werden, auch wenn die Zustände sich ohne Zeitverzögerung festlegen. Wenn der Würfel in Wien eine Drei und jener in Beijing eine Vier zeigt, brauchen die Würfler:innen immer noch einen klassischen, auf Lichtgeschwindigkeit begrenzten Kommunikationskanal, um festzustellen, dass die verschränkte Gesamtaugenzahl eine Sieben ist, es hätte nämlich auch ein anderer Wert sein können. Man kann sich also nicht aussuchen welchen Wert man in Wien haben wird, um damit eine Zahl an Beijing zu kommunizieren.

Technisch nutzen lässt sich das Phänomen aber dennoch. Verschränkte Photonenpaare können eingesetzt werden, um zwei identische Zufallszahlen für die zwei Empfänger zu erzeugen. Damit lassen sich zum Beispiel unknackbare Schlüssel für kryptografische Anwendungen erzeugen. Weil jede Messung an einem der Photonen die Verschränkung zerstört, können die Empfänger immer feststellen, wenn eine dritte Partei versucht, den Schlüssel bei der Übertragung auszulesen.

Quantencomputer setzen ebenfalls auf Verschränkung: Ein System aus verschränkten Qbits kann diese Überlagerung unterschiedlicher Bit-Kombinationen zur Lösung eines schwierigen Problems verwenden. Quantenalgorithmen sollen dadurch in Zukunft auch Probleme, die klassische Computer überfordern - etwa die Primfaktorenzerlegung großer Zahlen - lösen können.


Etappen auf dem Weg zum Nobelpreis

1989
© Adobe Stock

Essenz der Quantenphysik

Als wichtigste Voraussetzung für spätere Experimente erarbeitete Anton Zeilinger mit Daniel Greenberger und Michael Horne das "GHZ"-Experiment: Darin schlugen sie Versuche mit einem Zustand aus drei verschränkten Quantenteilchen vor, mit denen sie die Korrektheit der Quantenmechanik zeigen wollten. Dies sollte der Nachweis für die bereits von Erwin Schrödinger als "Essenz der Quantenphysik" bezeichnete Quantenverschränkung werden.

1997

Ein Quanten-Zustand

Das Jahr des ersten Teleportationsexperiments von Anton Zeilinger: Der exakte Quanten-Zustand eines Teilchens A wurde auf ein entferntes Teilchen B übertragen - und damit die experimentelle Grundlage für weitere bahnbrechende Versuche geschaffen.
1998

Quanten-Teleportation

Im Jahr 1998 gelang erstmals die Übertragung einer Verschränkung zwischen einem Teilchenpaar auf ein anderes Teilchenpaar - ein wissenschaftlicher Durchbruch, auf den bei der Verleihung des Physik-Nobelpreises im Jahr 2022 an Anton Zeilinger auch Bezug genommen wurde.
1999

Experimenteller Nachweis

Im Jahr 1999 gelang anschließend auch noch der experimentelle Nachweis der "GHZ-Zustände" - also die erfolgreiche praktische Umsetzung der zehn Jahre zuvor erarbeiteten Versuchsreihe.
2004

Beam me up!

Die Teleportation verschränkter Teilchen konnte auch außerhalb des Labors wiederholt werden. So gelang das "Beamen", also der Nachweis der Verschränkung zweier Lichtteilchen über die gesamte Distanz zwischen Wiener Prater und Donauinsel.

2012
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Zwischen La Palma und Teneriffa

Anton Zeilinger und sein Team konnten die Übertragung verschränkter Teilchen über immer größere Distanzen bewerkstelligen. Im Jahr 2010 bereits über 143 Kilometer - zwischen den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa!

2017

In den Weltraum

In einem öffentlichen Versuch gelang 2017 schließlich mithilfe eines Satelliten das weltweit erste „Quantentelefonat“, ein mit Quantentechnologie verschlüsseltes Videogespräch zwischen Österreichischer und Chinesischer Akademie der Wissenschaften. Der öffentlich in Wien und Peking veranstaltete Versuch sorgte weltweit für Schlagzeilen und verdeutlichte vor den Augen einer globalen Öffentlichkeit das enorme Potenzial von Quantentechnologien.

2018
© ICFO/ÖAW

Albert Einstein endgültig widerlegt

In dem globalen Online-Experiment „BIG Bell Test" trafen über 100.000 Freiwillige jeweils einzelne Entscheidungen zwischen 0 und 1. Durch diese unbeeinflussbare Zufälligkeit aus über 100.000 Entscheidungen wurde die verbliebene theoretische Möglichkeit, dass Quanten-Verschränkung doch nur auf Messfehlern beruhe und nicht real sei, beseitigt. Albert Einsteins Bagatellisierung der Verschränkung als „spukhafte Fernwirkung“ ist endgültig Geschichte.