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Physik-Nobelpreis für Quantenforscher: Geheimnisvolle Welt der Teilchen

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Von: Pamela Dörhöfer

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Der Nobelpreis für Physik geht in diesem Jahr an die drei Quantenforscher Alain Aspect aus Frankreich, John F. Clauser aus den USA und Anton Zeilinger aus Österreich.

Stockholm – Dieses Forschungsgebiet brachte sogar den großen Albert Einstein zeitweilig an seine Grenzen – und ließ ihn doch nicht los: „Ich habe hundertmal so viel über Quantenprobleme nachgedacht wie über die Allgemeine Relativitätstheorie“, soll er gesagt haben. Das viele Grübeln lohnte sich: Einsteins Arbeiten auf diesem Gebiet gelten als wegweisend, für seine Lichtquantenhypothese erhielt er 1921 den Physik-Nobelpreis.

In diesem Jahr geht der Physik-Nobelpreis – die höchste wissenschaftliche Auszeichnung – wieder an drei Quantenforscher: zu je gleichen Teilen an den Franzosen Alain Aspect von der Université Paris-Saclay und der École Polytechnique in Palaiseau, den US-Amerikaner John F. Clauser von J. F. Clauser & Assoc in Walnut Creek (Kalifornien) und den Österreicher Anton Zeilinger von der Universität Wien. Das teilte die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften in Stockholm mit. Der Nobelpreis für Physik ist mit insgesamt zehn Millionen Kronen, rund 920 000 Euro dotiert.

Physik-Nobelpreis 2022 geht an drei Quantenforscher

Alain Aspect (75), John F. Clauser (79) und Anton Zeilinger (77) werden ausgezeichnet für „bahnbrechende Experimente mit verschränkten Quantenzuständen, bei denen sich zwei Teilchen wie eine einzige Einheit verhalten, selbst wenn sie getrennt sind“, heißt es in der schriftlichen Begründung zur Preisvergabe. Eine hochabstrakte, schwer zugängliche Materie, nicht nur für Laien. Zur Erklärung: Quanten sind die kleinsten, nicht mehr teilbaren Bestandteile unserer Welt, etwa Photonen (Lichtteilchen) oder Elektronen (negativ geladene Elementarteilchen, die zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit in Metallen bewirken).

Der öterreichische Quantenphysiker Anton Zeilinger hat wegen seiner bahnbrechenden Experimente zum Transport von Teilchen den Spitznamen „Mr. Beam“ bekommen. Matthias Röder/dpa
Der öterreichische Quantenphysiker Anton Zeilinger hat wegen seiner bahnbrechenden Experimente zum Transport von Teilchen den Spitznamen „Mr. Beam“ bekommen. Matthias Röder/dpa © Matthias Röder/dpa

Diese Winzlinge verhalten sich anders als man es von der klassischen Physik kennt, so können Quanten zum Beispiel sowohl die Eigenschaften von Wellen als auch die von Teilchen besitzen. Um das ungewöhnliche Verhalten der Quanten zu beschreiben, sind neue Theorien und Gesetze vonnöten, die dazugehörige Wissenschaft heißt Quantenmechanik und ist ein Teilgebiet der modernen Physik, das zugleich weit über deren Grenzen hinausgeht.

Physik-Nobelpreisträger haben „Weg für neue Technologien“ geebnet

Die Ergebnisse der drei Preisträger, so erklärt das Nobelkomitee weiter, hätten „den Weg für neue Technologien auf Basis von Quanteninformation geebnet“; die „unaussprechlichen Effekte der Quantenmechanik“ begännen, „Anwendung zu finden“. Was das sein könnte? Unter anderem könnten mit Hilfe der Quantenmechanik Computer leistungsfähiger und über die Quantenverschlüsselung von Kommunikation viel mehr Datenschutz gewährleisten als bisherige konventionelle Systeme. Die Stichworte hierzu heißen Quantennetzwerke und Quantencomputer.

Der französische Physiker Alain Aspect ist 2013 vonmit der Niels-Bohr-Medaille ausgezeichnet worden. Finn Frandsen/Ritzau Scanpix Foto/dpa
Der französische Physiker Alain Aspect ist 2013 vonmit der Niels-Bohr-Medaille ausgezeichnet worden. Finn Frandsen/Ritzau Scanpix Foto/dpa © dpa

Ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung solcher neuartigen Technologien sind sogenannte verschränkte Teilchen, die den Schwerpunkt der Forschung aller drei Preisträger darstellen. So haben die unabhängig voneinander arbeitenden Forscher mit Experimenten das Verhalten solcher verschränkten Teilchen festgestellt und untersucht, Clauser 1972, Aspect 1982, Zeilinger in den späten 1990ern. Der Begriff Verschränkung bedeutet, dass sich zwei (oder mehr) getrennte Teilchen wie eine Einheit verhalten, dass ihre Zustände einander bedingen, voneinander abhängen – auch dann, wenn die betreffenden Teilchen räumlich getrennt sind. Ein Phänomen, das eigentlich einem der Grundprinzipien der Mechanik zu widersprechen scheint. So sollen sich nach dem „Prinzip der Lokalität“ aus der klassischen Physik nur Objekte gegenseitig beeinflussen können, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden.

Physik-Nobelpreisträger: Wie beeinflussen sich verschränkte Teilchen gegenseitig?

Um zu erforschen, was mit den Teilchen in einem verschränkten Paar passiert, um herauszufinden, wie sich beide gegenseitig beeinflussen, haben die drei Preisträger experimentelle Werkzeuge entwickelt. Aufsehen über Fachkreise hinaus erregte in diesem Zusammenhang 1997 Anton Zeilinger. Bei der Demonstration der Verschränkung von mehr als zwei Teilchen wies er ein Phänomen namens Quantenteleportation nach. Es ermöglicht, den Zustand eines Lichtteilchens unter der Überwindung von Zeit und Raum zu einem Teilchen in der Ferne zu transportieren.

Der Physiker John F. Clauser macht in der Küche seines Hauses Kaffeepause.Terry Chea/ap/dpa
Der Physiker John F. Clauser macht in der Küche seines Hauses Kaffeepause.Terry Chea/ap/dpa © Terry Chea/dpa

Das brachte dem Österreicher den Spitznamen „Mr. Beam“ ein – in Anlehnung an die berühmte Transport-Methode aus „Raumschiff Enterprise“, die Menschen, Außerirdische und Gegenstände mit hellem Flackern flugs von einen Ort zum anderen befördert. Auf die Frage eines Journalisten des schwedischen Fernsehens machte der zugeschaltete Nobelpreisträger allerdings Hoffnungen zunichte, dass Beamen auf der Basis seiner Forschung Realität werden könnte. Das Transportieren größerer Objekte „wie in Star Trek“ sei „absolut unmöglich“ erklärte Anton Zeilinger. Es ginge vielmehr um den von Informationen an einen anderen Ort – und das auch, ohne den Inhalt dieser Informationen zu kennen. In der Praxis ist dieses Prinzip einsetzbar in Quantencomputern und könnte das Übertragen abhörsicherer Daten und Nachrichten ermöglichen.

Wie die meisten Nobelpreisträger:innen sagte auch Anton Zeilinger, er sei „sehr überrascht“ gewesen, als der Anruf vom Nobelkomitee kam. Ohne „mehr als hundert junge Menschen, die im Laufe der Jahre mit mir zusammengearbeitet haben“, wäre der Preis für ihn nicht möglich gewesen: „Ich allein hätte das nicht schaffen können.“ Er hoffe, dass der Preis junge Forschende ermutige. „Ich bin gespannt, was wir in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren sehen werden.“ (Pamela Dörhöfer)

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