Nobelpreis-Träger Anton Zeilinger

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.