Peter Zoller ist ein vielfach ausgezeichneter theoretischer Physiker und ein Pionier des Quantencomputers. 1995 hat er gemeinsam mit Ignacio Cirac einen Bauplan für einen Quantencomputer geliefert, der heute zu den führenden Technologien in diesem Gebiet gehört: das Ionenfallen‑Quantencomputer‑Modell. Er ist Professor für Theoretische Physik an der Universität Innsbruck und Emeritus Research Director am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Dieses Interview basiert auf einem Gespräch für den ZEIT-Podcast " Nur eine Frage ". Die Auszüge wurden gekürzt, redigiert und teilweise umgestellt, um die Lesbarkeit zu verbessern. Alle Folgen sind auf www.zeit.de/n1f zu finden. Dort können Sie auch den N1F-Newsletter abonnieren. Fragen, Kritik, Anregungen? Schreiben Sie eine Mail an n1f@zeit.de . Redaktion: Jens Lubbadeh DIE ZEIT: Albert Einstein hat sein Leben lang damit gehadert, dass das, was wir in der Quantenwelt finden, unserer Intuition widerspricht. Realität, Determinismus, Zeit, Ort – all das steht zur Disposition. Herr Zoller, ist die Welt verrückt? Peter Zoller: Ich glaube nicht, dass die Welt oder die Natur verrückt ist. Physiker versuchen ja, die Welt zu verstehen, die Natur zu verstehen. Unsere Wahrnehmung der Naturgesetze – und das wird durch die Quantenmechanik besonders gut illustriert –, führt dazu, bestimmte Erwartungen zu haben, wie Naturgesetze ausschauen, wie wir unsere Theorien formulieren. Die Quantenmechanik ist eines der eindrucksvollsten Beispiele dafür, dass die Natur doch wesentlich größer, weiter, vielfältiger ist, als wir uns das vorstellen können. ZEIT: Das berühmteste Beispiel für diesen Bruch mit der Intuition ist das Doppelspaltexperiment. Schießt man Lichtteilchen auf eine Wand mit zwei Spalten, bildet sich auf dem Schirm dahinter ein Interferenzmuster, als wären die Teilchen eine Welle gewesen, die durch beide Spalten gleichzeitig gegangen ist. Versucht man nun aber mit einem Messgerät herauszufinden, durch welchen der Schlitze die Teilchen fliegen, passiert Folgendes: Das Interferenzmuster verschwindet und man sieht nur noch zwei Streifen hinter den Schlitzen. Je nachdem, ob wir also beobachten oder nicht, verhalten sich die Teilchen mal wie Teilchen, mal wie eine Welle. Da setzt das Verständnis der Realität schon aus, oder? Zoller: Vielleicht darf ich eine sehr pragmatische Antwort geben. Es gibt diesen berühmten Spruch: " Shut up and calculate " – halt den Mund und rechne. Das heißt: Wir haben die Quantenmechanik als eine wunderbare Theorie, und bis heute wurde sie von keinem einzigen Experiment widerlegt. "Shut up and calculate" bedeutet also, man kann diese Theorie wunderbar anwenden, zum Beispiel, um Quantencomputer zu bauen. Schwierig wird es, wenn man beginnt, über sie nachzudenken. Natürlich gibt es fundamentale Fragen. Die Quantenmechanik gibt uns eine Beschreibung der Natur mit komplett anderen Regeln, als die klassische Physik es tut. Wir haben Superpositionen, Verschränkung, Wellenfunktionen, die kollabieren. Dann stellt sich die Frage: Wie "wirklich" ist das eigentlich? ZEIT: Denken Sie am Wochenende über diese Rätsel nach? Zoller: Am Wochenende ja, unter der Woche nicht. Unter der Woche sind wir Quanteningenieure, die Quantenmechanik anwenden – und das ziemlich erfolgreich. Aber am Sonntagmorgen beim Kaffee denke ich schon nach: Was ist hier eigentlich passiert? Die Quantenmechanik ist eine wunderbare Beschreibung dessen, was wir im Labor sehen – sie war noch nie falsch. Trotzdem verstehen wir in gewissem Sinne nicht, was hier passiert. Die Regeln der Quantenmechanik sagen unter der Woche sehr klar, was passiert – und die Regeln stimmen mit allen Experimenten überein. Am Wochenende denkt man darüber nach. Und ja – die Natur ist verrückt, um es so zu sagen. Nicht die Welt, sondern die Natur. Aber vielleicht sind wir auch einfach zu eng in unseren Vorstellungen. ZEIT: Aber stört Sie das nicht? Zoller: Sehen Sie, die Quantenmechanik hat drei fundamentale Postulate. Erstens: Das System wird durch einen Zustand beschrieben – eine Wellenfunktion. Das ist schon merkwürdig, weit weg vom klassischen Weltbild. Diese Wellenfunktion lebt in einem abstrakten mathematischen Raum, nicht in dem dreidimensionalen Raum, den wir sehen. Zweitens: Jede Messung ist mit einem Operator verknüpft, und das Ergebnis ist ein Eigenwert dieses Operators – mit Wahrscheinlichkeiten. Die Quantentheorie bedeutet also, dass alles eine Frage von Wahrscheinlichkeit ist. "Gott würfelt" – das hat Einstein sein Leben lang gestört. Er konnte nicht akzeptieren, dass fundamentaler Zufall in der Natur existiert. Und das dritte Postulat: Sobald man misst, kollabiert die Wellenfunktion und das System gerät in einen Eigenzustand. Warum und wie der Kollaps passiert, steht nicht in den Gleichungen. Die Gleichungen für Atome, Kerne, Festkörper, Laser – alles folgt aus diesen Postulaten. Das alles hat nichts mit der klassischen Physik zu tun. Es ist eine Beschreibung, die wir nicht von klassischen Vorstellungen ableiten können. Sie wurde aus der Erfahrung geboren, nicht aus logischer Notwendigkeit. ZEIT: Das EPR-Paradoxon ist neben dem Doppelspaltexperiment ein weiteres Beispiel für die Verrücktheit der Quantenwelt. Können Sie das kurz erklären? Zoller: Das war ein berühmtes Gedankenexperiment von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen aus dem Jahr 1935. Einstein wollte damit zeigen, dass die Quantenmechanik unvollständig sein muss. Er argumentierte: Es muss verborgene Variablen geben, die wir nur noch nicht kennen. Die Idee war folgende: Nehmen Sie zwei Teilchen, die einmal interagiert haben und dann weit voneinander entfernt werden. In der Quantenmechanik bleiben sie miteinander verschränkt. ZEIT: Die Teilchen sind verschränkt. Was genau bedeutet das? Zoller: Verschränkung ist wahrscheinlich der grundlegendste Unterschied zwischen der klassischen Welt und der Welt der Quanten. In der klassischen Physik kann ich den Zustand eines zusammengesetzten Systems immer durch Angabe aller Teilzustände beschreiben: Ich sage, wo jedes Teilchen ist und wie schnell es sich bewegt, und damit kenne ich das System vollständig. Die Teile sind unabhängig beschreibbar. In der Quantenmechanik geht das nicht immer. Verschränkte Teilchen können nicht einzeln beschrieben werden – nur das Gesamtsystem hat einen definierten Zustand. Das ist mathematisch präzise: Es gibt Zustände des Gesamtsystems, die sich nicht als Produkt von Einzelzuständen schreiben lassen. Ein konkretes Beispiel: Ich erzeuge zwei Teilchen mit entgegengesetztem Spin – wenn eines "rauf" ist, ist das andere "runter". Aber vor der Messung ist keines von beiden festgelegt. Der Zustand ist eine Superposition: Rauf-runter plus Runter-rauf. Das Gesamtsystem hat Spin null, aber jedes einzelne Teilchen hat keinen definierten Spin. Ich schicke ein Teilchen ans andere Ende der Galaxie. Wenn ich hier messe und "rauf" bekomme, dann ist das andere instantan "runter" – egal wie weit entfernt. Wenn ich eines der verschränkten Teilchen messe, weiß ich sofort etwas über das andere. Einstein nannte das die "spukhafte Fernwirkung" und hielt es für absurd. Er sagte: Die Information muss schon vorher in den Teilchen gespeichert gewesen sein – wie ein aufgedrückter Stempel, als sie entstanden. Erst dreißig Jahre später, 1964, hat der nordirische Physiker John Bell eine mathematische Ungleichung aufgestellt, die diesen Streit entscheiden kann. Wenn die Natur verborgene Variablen hat, muss die Ungleichung erfüllt sein. Wenn die Quantenmechanik recht hat, wird sie verletzt. Die Experimente, die dann durchgeführt wurden – zuletzt mit dem Nobelpreis 2022 für Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger ausgezeichnet – haben eindeutig gezeigt: Die Natur verletzt die Bell'sche Ungleichung. Einstein hatte Unrecht: Es gibt keine verborgenen Variablen. Die Quantenmechanik ist vollständig. ZEIT: Die Information, ob das Teilchen so oder so ist, existiert vorher nicht? Erst, wenn ich messe, entscheidet sich das? Zoller: Genau. In dem Moment, in dem die Messung bei einem Teilchen stattfindet, ist auch das andere Teilchen festgelegt. Als hätten sie sich verabredet. Aber, und das ist wichtig: Man kann keine nutzbare Information damit übertragen. Die Korrelation ist da, aber man erkennt sie erst, wenn man die Messergebnisse klassisch vergleicht. Und das geht nur mit maximaler Lichtgeschwindigkeit. Die Relativitätstheorie wird nicht verletzt.