Die ewige Liebe der Quanten

Welt am Sonntag, 19. Februar 2017

Ein weltweites Quanteninternet könnte die digitale Kommunikation in Zukunft sicher und unangreifbar machen. Im Zentrum der Forschungen stehen österreichische Wissenschaftler und Quanteneffekte, die dem gesunden Menschenverstand widersprechen

Es knallten keine Sektkorken, eine Party gab es auch nicht, als Physiker im Jahr 1975 eine Entdeckung machten, die später eine Grundlage der Quantenkommunikation wurde. Ein damals noch unbekannter wissenschaftlicher Mitarbeiter des Physikers Helmut Rauch weist zusammen diesem und Kollegen nach, dass sich Neutronen, weil sie Eigenschaften von Wellen und nicht nur jene von Teilchen haben, ganz seltsam verhalten, wenn sie um ihre Achse gedreht werden: sie verändern ihren Zustand. „Das hatten wir nicht erwartet, dass die Welt nicht die gleiche ist, wenn man sie um 360 Grad dreht“, sagt Anton Zeilinger heute. Die Physiker konnten damals nicht wissen, dass diese Entdeckung jemals eine praktische Relevanz haben würde. „Wenn wir damals gefragt wurden, wozu das alles gut ist, haben wir gesagt: für nichts, das ist für nichts gut, wir machen das nur aus Interesse an der Sache“, sagt Zeilinger, der heute Professor an der Uni Wien ist.

Vor wenigen Wochen ist ein chinesischer Satellit mit einem seiner Experimente an Bord gestartet, dem Quantum Experiments at Space Scale (Quess). An Bord befindet sich Technik, die auf Zeilingers Entdeckung beruht.  Mit ihrer Hilfe soll eines der drängendsten Probleme der digitalen Kommunikation gelöst werden: Quantenkommunikation und Quantenkryptografie sollen Hacker für immer in ihre Grenzen weisen. Die Verschlüsselung der Zukunft beruht auf physikalischen Gesetzen, die sich von ihnen weder knacken noch manipulieren lassen. Es soll  ein weltumspannendes Netz aus Satelliten gebaut werden, so die Vision, das sichere Verbindungen zwischen dem Weltall und allen Orten der Welt ermöglicht: ein Quanteninternet. „Die Quantenkryptografie erlaubt es, Informationen so zu verschlüsseln, dass selbst die NSA sie nicht abhören kann“, sagt Zeilinger.

Das beruht unter anderem auf einem sehr alten Effekt, den Albert Einstein einst als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet hat. Quantenkryptografie klingt in der Tat wie Zauberei, aber Zeilinger erklärt nüchtern: „Diese erstaunlichen Effekte lassen sich mathematisch wunderschön und elegant erklären.“  Das Fachwort für den sprichwörtlichen Spuk lautet Verschränkung, einer der seltsamen Effekte der Quantenwelt, die Zeilinger schon seit seinem Studium faszinieren: wenn zwei Lichtquanten – zwei kleine „Pakete“ Licht – einen gemeinsamen Ursprung haben, bleiben sie danach miteinander verbunden, selbst wenn sich ihre Wege wieder trennen. Wird der Zustand eines der beiden Teilchen verändert, ändert sich auch der des anderen im selben Moment.

Auch wenn diese Teilchen hunderte Kilometer weit voneinander entfernt sind, passt sich eines in Echtzeit an das andere an, sobald sich jenes verändert. Aber wie kommt die Information vom einen zum anderen Teilchen? „Die Information legt keinen Weg zurück“, sagt Zeilinger. Sie wird teleportiert. „Laien vergleichen das gerne mit dem Beamen aus Sciencefiction-Filmen.“ Es ist der verzweifelte Versuch etwas zu beschreiben, das für Gehirne unverständlich ist. „Es widerspricht dem gesunden Menschenverstand“, gibt auch Zeilinger zu. Sobald das eine Teilchen eine Information hat, hat es das andere auch. „Es ist bemerkenswert, es ist mathematisch witzig.“ In zahlreichen Büchern und Vorträgen hat der Professor, der den Spitznamen Dr. Beam hat, versucht zu erklären, wie das funktioniert. „Aber es ist außerhalb unserer Vorstellungsmöglichkeit, die Sprache versagt hier immer wieder.“ Eines ist sicher: diese rätselhafte Informationsübertragung existiert und könnte in Zukunft als Grundlage des Internets genutzt werden: Quanten transportieren dabei die Informationen.

Die Verschränkung an sich wurde bereits in den 1930er Jahren theoretisch vorhergesagt, Ernst Schrödinger prägte den Begriff. Experimente waren damals noch nicht möglich, lediglich Gedankenexperimente – die Einstein scheinbar selbst absurd vorkamen: so kam es zur Aussage der „spukhaften Fernwirkung.“ Seit den siebziger Jahren sind diese Experimente dank der fortgeschrittenen Technik im Labor möglich geworden. Zeilinger holte sie schließlich aus dem Labor heraus, indem er zunächst Informationen in verschränkten Lichtteilchen über den Dächern von Wien übertrug und 2013 zwischen den kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa.

Jetzt will er ins Weltall. Denn um zu zeigen, dass die Quantenteleportation auch über größere Entfernungen funktioniert, braucht es einen Ort, an dem die Erdkrümmung weniger im Weg ist wenn es darum geht, Informationen über weite Strecken zu schicken. Zeilinger hat dafür mit chinesischen Kollegen eine Photonenquelle bestehend aus einem starken Laser und einem speziellen Kristall ins All geschickt. So entstehen dort aus Lichtteilchen jeweils zwei verschränkte Photonen, die dann getrennt und beispielsweise an die Bodenstationen in Peking und Wien geschickt werden können: dort kommen jeweils die gleichen Informationen an.

Doch was ist, wenn ein Hacker an einem beliebigen Ort zwischen Wien und Peking mit einem Teleskop diese Informationen ebenfalls abfängt? Er würde unweigerlich entdeckt.
Zeilinger verweist auf das eingangs erwähnte Experiment: Es beruht auf dem Phänomen, dass auch Lichtteilchen sich in manchen Fällen wie Teilchen und in anderen Fällen wie Wellen benehmen. Wenn man sie durch eine Wand mit zwei waagrechten Spalten auf eine dahinterliegende Wand schickt, würde man von Teilchen eigentlich ein Muster erwarten, das die beiden Streifen abbildet – so als wenn man mit einer Sprühdose durch eine Schablone sprüht: das Muster der Schablone wird auf der hinteren Wand abgebildet. Stattdessen erscheint aber ein so genanntes Interferenzmuster: die Lichtteilchen landen in mehreren Streifen auf der hinteren Wand – auch an Stellen, die sie auf geradem Weg von der Quelle durch die beiden waagrechten Streifen nicht erreichen können. Wie kommen sie dorthin? Da fangen die Kuriositäten erst an: Versucht man im laufenden Experiment herauszubekommen, durch welche der beiden Spalten ein Teilchen geflogen ist, verschwindet das Interferenzmuster. Stattdessen erscheint das Schablonenmuster: werden sie beobachtet, verhalten sich Quanten wie Teilchen und nicht mehr wie Wellen. Allein die Messung verändert offenbar die Realität. „Es ist nicht richtig davon zu sprechen, dass Teilchen durch zwei Spalten gehen“, sagt Zeilinger, „sie gehen von der einen Seite los und kommen auf der anderen Seite an – mehr kann man nicht sagen.“ Das Interferenzmuster tritt nur auf, wenn niemand weiß, welchen Weg das Photon nimmt. „Nichtmal das Photon selbst weiß das.“  Sobald Forscher es mittels aufwendiger Versuchsaufbauten dingfest machen wollen, benimmt es sich wie ein Teilchen, nicht mehr wie eine Welle. Seither weiß man: „Objektives Nichtwissen“ verursacht messbare Effekte. Rauch wies dieses Verhalten 1974 auch für Neutronen nach, die immerhin 1800 mal mehr Masse haben als Elektronen.

Dieser Effekt, dass Messungen das Ergebnis verändern, tritt auch bei verschränkten Teilchen auf – und das nutzt die Quantenkryptografie: der Satellit schickt eine Reihe verschränkter Teilchen an zwei Bodenstationen, jedes Paar liefert ein zufälliges, aber einheitliches Resultat: die jeweiligen verschränkten Teilchen in Wien und Peking sind gleich polarisiert. Diese Zufallsfolge kann man nutzen, um Nachrichten zu verschlüsseln. Fängt ein Hacker die Information auf dem Weg ab und versucht sie auszulesen, muss er dafür den Zustand der Teilchen messen. Damit verändert er diesen aber im selben Moment und verrät sich dadurch, erklärt Zeilinger: „Ein Lauscher zerstört die Verschränkung.“

Wenn Zeilinger an diese ersten Experimente zurückdenkt, die nun nach so vielen Jahren zum umfangreichen Experiment auf einem chinesischen Satelliten geführt haben, erscheint ihm das selbst manchmal wie ein kleines Wunder: „Wir wollten damals eigentlich nur zeigen, wie verrückt die Welt tatsächlich ist.“ Immer wieder beziehen sich Verschwörungstheoretiker und Esoteriker auf seine Forschungen. „Denen sage ich dann: die Welt ist viel wilder, als ihr euch vorstellen könnt“, sagt Zeilinger lachend: „Ihr denkt noch viel zu realistisch.“

Die Idee eines Quanteninternets findet Zeilinger hingegen fast schon simpel: „Dass es im Prinzip klappt, ist zu erwarten“, kommentiert er das aktuelle Experiment, „die Frage ist, wie gut es klappt: ein Teil der Daten wird sicher verfälscht sein.“ Noch ist außerdem die Übertragungsrate viel zu gering für die Massen an Daten im World Wide Web. „Aber das ist ein technisch lösbares Problem“, sagt der Physiker, „wenn man sehr viel Geld in die Hand nimmt, kann man das lösen.“

Es gibt aber auch Kritik an Zeilingers Zukunftsidee: Forscher bemängeln, dass Hacker oder Geheimdienste die Information zwar nicht abfangen, aber die Hardware auf dem Satelliten manipulieren könnten. Man müsste also großes Vertrauen in den Anbieter haben – dass das die staatliche chinesische Telefongesellschaft ist, stimmt viele misstrauisch. Zeilinger hat durchaus zuerst die Europäische Weltraumorganisation Esa angefragt. „Aber die Chinesen waren schneller.“ War er zu ungeduldig? „Ich bin nicht ungeduldig – die Europäer sind zu langsam!“ Schließlich habe er bereits vor zehn Jahren angefragt.

Was würde Einstein zu den aktuellen Erkenntnissen sagen? „Das zu wissen, dafür würde ich viel geben“, sagt Zeilinger. Der sei damals sehr empört gewesen über die Ansicht, dass Messungen Experimente verändern können und Dinge, die nicht gemessen werden, auch nicht sicher existieren. Er soll einst provokativ gefragt haben: „Ist der Mond auch nicht da, wenn keiner hin sieht?“  „Aber er war auf dem Holzweg“, so Zeilinger. „Heute wissen wir, dass es bei manchen Dingen falsch ist zu behaupten, dass das, was messbar ist, schon vor der Messung existiert hat.“ Womöglich verzweifeln daran auch die Hacker der Zukunft.

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