„Ich akzeptiere einfach die Quanten-Nichtlokalität“

Was genau beanstandete Einstein?
Aspect: Er erwartete eine zugrunde liegende Theorie, in der man sagen könnte: Dieses Photon wird plus eins sein und jenes Photon wird minus eins sein. Das war ihre Meinungsverschiedenheit. Es war in gewisser Weise epistemologisch. Philosophisch. Und was Bell 30 Jahre später entdeckte, war, dass es, wenn man Einsteins Standpunkt folgt, tatsächlich eine Eigenschaft gibt, die es ermöglicht zu wissen, dass man für dieses System genau dieses Ergebnis erhält; folgt man Einstein, kommt es irgendwann zum Konflikt mit der Quantenphysik. Bemerkenswert ist, dass diese Situationen äußerst selten sind. Bis in den 60er Jahren gab es trotz eines halben Jahrhunderts Forschung keine Daten, anhand derer entscheidbar war, ob Einstein Recht hatte oder nicht. Daher begann John Clauser 1972 seine Experimente. Und 1981 und 1982 folgte unsere Experimentierreihe am Institut d’Optique Paris Saclay, die einen weiteren Schritt bedeuteten, weil sie noch näher an dem Idealschema waren, das die Theoretiker diskutierten.

Aber der Laser war erst 1960 erfunden. War es nicht zu früh, um mit dieser unreifen photonischen Hardware solche Experimente zu starten?
Aspect: Clauser nutzte in seinen ersten Experimenten keine Laser. 1976 gab es ein Experiment von Ed Fry in Texas, der einen Laser verwendete. In meiner Versuchsreihe verwendete ich mehrere Laser zur präzisen Anregung des Atoms. Meine Strahlquelle war um eine Größenordnung besser als die von Clauser und Fry. Ihre Experimente waren dennoch fantastisch! Clauser war der Erste, der das Thema experimentell anging. Ich konnte auf seinem Ansatz aufbauen und ihn weitertreiben. Dafür musste ich aber eine deutlich bessere Quelle für verschränkte Photonen entwickeln.

Verschränkung. Einstein sagte, das sei irgendwie spukhaft...
Aspect: …nicht ganz. Er hat dieses Wort verwendet, aber die Leute verstehen das falsch. Einstein akzeptierte die Verschränkung, aber er sagte, wenn man keine ergänzenden Theorien einführt oder die Quantenmechanik nicht vervollständigt, sieht es so aus, als gäbe es eine spukhafte Fernwirkung. Das war Teil seiner Argumentation. Er sagte: „Ich kann nicht an eine spukhafte Fernwirkung glauben, also muss ich die Theorie vervollständigen.”

…ah, und mit Ihren Experimenten haben Sie versucht zu beweisen, dass er Recht hatte?
Aspect: Nach unseren Experimenten wissen wir, dass man sie wie Einstein vermutete, nicht vervollständigen kann. Wir müssen also eine gewisse spukhafte Fernwirkung zulassen. Aber ich ziehe es vor, sie als Quanten-Nichtlokalität zu bezeichnen.

Waren Sie zu Beginn Ihrer Experimente eher im Team Einstein oder im Team Bohr?
Aspect: Nein, nein! Als Experimentalphysiker muss man offen sein. Ich habe experimentiert, weil mich Einsteins Argumentation überzeugt hat. Andererseits vertraute ich der Quantenphysik. Das war ein Widerspruch, den ich auflösen wollte. Aber man sollte nie vorgefestigte Meinungen haben, wenn man ein Experiment beginnt. Menschen, die von Bohrs Argumentation überzeugt waren, hätten gar keinen Grund gehabt, diese Experimente durchzuführen. Ich hatte einen, denn ich wusste, dass die Quantenphysik effizient ist, aber ich folgte auch Einsteins Argumentation. Ich konnte nicht erkennen, wo und inwiefern er irren könnte. Und tatsächlich hatte er ja auch Recht, als er darauf hinwies, dass dies außergewöhnlich ist.

Wir sprechen hier vom außergewöhnlichen Charakter der Verschränkung...
Aspect: Wenn Leute sagen, ich sei Derjenige, der Einstein widerlegt hat, antworte ich, dass ich nur gezeigt habe, dass Einstein auf etwas Außergewöhnliches hingewiesen hat.

Wie sind Sie bei Ihren Nobelpreis-gekrönten Experimenten vorgegangen?
Aspect: Letztendlich war es nur wichtig, zwei Photonen zu erzeugen und Messungen durchzuführen. Wenn der Nachweis gelingt, dass die Korrelationen so stark sind, dass sie die Bellsche Ungleichung verletzen, wäre klar, dass Einsteins Modell nicht richtig ist. Dafür musste ich eine Black Box bauen und das Photonenpaar erzeugen. Ich habe das durch Berechnungen geschafft. Ich wusste, dass ich in Kalzium ein bestimmtes Niveau anregen musste – eigentlich hatte Clauser dieses Niveau identifiziert, aber er konnte es nicht so gut anregen wie ich zehn Jahre später. Ich nutzte die Zwei-Photonen-Anregung, die eine Gruppe in Paris und parallel weitere Gruppen zu dem Zeitpunkt gerade erst demonstriert hatten.

Sind Sie nicht ständig an die Grenzen der damaligen Strahlquellen und Messtechnik gestoßen?
Aspect: Ja und nein. Das Schöne am Verwenden eines Atoms ist es, dass es bei richtiger Anregung ein verschränktes Photonenpaar liefert. Der Nachteil: diese Photonen werden in alle Richtungen im Raum emittiert. Man muss sie also mit großen Linsen und anderen optischen Elementen einfangen. Das war kompliziert. Mitte der 80er Jahre fing man an, das Phänomen nichtlinearer Optik zu nutzen. Anstatt mit zwei Lasern anzuregen, macht man das Gegenteil. Man hat einen Ultraviolettlaser und spaltet ein Ultraviolettphoton in zwei sichtbare Photonen. Der große Vorteil ist es, dass die Photonen in definierte Richtungen emittiert werden. So kann man sie in optische Fasern einspeisen. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Die Arbeit daran begann 1985 und erst Ende der 90er Jahre gab es eine gute Quelle. Es dauerte über ein Jahrzehnt. Denn man braucht Kristalle von einer bestimmten Qualität, die man in der richtigen Richtung schneiden muss, etc.

Wie haben Sie die Einschränkungen überwunden?
Aspect: Ich habe Atome verwendet. Atome sind von ihrer Konstruktion her Quanten. Ich konnte das Atom auf dieser Ebene anregen, und daher gab es keine weitere Diskussion darüber, dass die beiden Photonen verschränkt waren. Beim Verwenden eines Kristalls ist man von der Qualität des Kristalls abhängig. Daher hat es 10 Jahre gedauert, bis sie eine Quelle hatten, die so gut war wie meine. Dann war sie aus genanntem Grund besser: Die Photonen werden in einer definierten Richtung emittiert und können in eine Faser injiziert werden.

Aber gab es nicht jede Menge technologische Einschränkungen bei der Anregung dieser Atome?
Aspect: Ja. Aber das ist die Herausforderung des Experimentalphysikers (lacht).

Haben Sie mit Photonik-Herstellern zusammengearbeitet, um die Grenzen zu erweitern?
Aspect: Ja, das habe ich. Meine Photo-Multiplier wurden in Frankreich hergestellt, sodass ich mit dem Team des Herstellers sprechen konnte. Sie haben die besten Geräte für mich auswählt. Es ist ein großer Vorteil, wenn die Industrie in der Nähe ist. Man gibt eine Bestellung auf und benennt genaue Spezifikationen – aber dann kann man mit den Leuten diskutieren und erklären, woran man arbeitet, dass man ihre Geräte testen und ihnen ein Testblatt zur Verfügung stellen wird. Davon profitierten beide Seiten. Ein weiterer Vorteil: ich konnte meine gesamte Photonenzählelektronik leihen. Es war eine sehr langfristige Leihgabe von der Elektronikabteilung des Nuklearzentrums in Paris Saclay. Dort wurden Dutzende dieser Geräte gebaut. Ich konnte zwei davon ausleihen, die sie nie vermissten. Auf diese Art konnte ich alle möglichen Geräte besorgen, und auch hier war wieder entscheidend, dass ich ihre Systeme testete und ihnen Verbesserungsvorschläge machte. Sie waren damit zufrieden und liehen mir eine Menge Geräte. Ihre Frage ist richtig - ich konnte auf viele Menschen zählen.

Stimmt es, dass Sie diese Experimente im Rahmen Ihrer Doktorarbeit durchgeführt haben – oder mit anderen Worten: haben sich damit zum Doktortitel und zum Nobelpreis geforscht?
Aspect: Absolut! Ich habe 1983 meine Doktorarbeit verteidigt. Der Titel lautete: Drei experimentelle Tests zu Bells Ungleichungstheorem. Der erste davon war analog zu Clausers Experiment, aber mit meiner besseren Quelle. Beim zweiten konnte ich zum ersten Mal Zweikanal-Polarisatoren einsetzen. Die gab es nicht von der Stange. Ich hatte das Glück, dass ein Team von Philips maßgeschneiderte Polarisatoren mit zwei Ausgangskanälen für meine Wellenlängen berechnete und für mich baute. Als ich nach dem Preis fragte, antworteten sie: „Zu teuer für Sie.“ Also machten sie es kostenlos. Aber auch hier wieder: Ich habe das System gemessen, ihnen die Resultate mitgeteilt, und beide Seiten profitierten davon. Aber zurück zu meinen Experimenten. Das zweite habe ich mit diesen Zweikanal-Polarisatoren durchgeführt; sie lieferten Plus- und Minusergebnisse, die uns theoretisch und praktisch sehr voranbrachten. Im dritten Experiment gelang es erstmals, die Messrichtung zu ändern, während sich die Photonen im Flug befanden. Den Schalter dafür musste ich selbst bauen, da ihn Niemand liefern konnte. Eigentlich war die Lösung einfach. Ich musste nur nachdenken.

Könnten Sie das bitte erklären?
Der Grund, warum kein Hersteller einen solchen Schalter anbieten konnte, war, dass ich ein großes System benötigte. Zu dieser Zeit gab es nur Geräte auf Kristallbasis. Bei der von mir benötigten Größe brachen die Kristalle, wenn man Wandler anschloss. Ich fand dann in Literatur über akusto-optische Wechselwirkungen einen Hinweis, dass Wasser ein gutes akusto-optisches Medium ist. Es wird zwar nicht in der Industrie verwendet, ist aber tatsächlich ein gutes Medium. Ich habe die zwei Wandler in Wasser getaucht, und da Wasser nicht zerbrechen kann, gab es kein Problem mehr mit Brüchen. Das war ein entscheidender Schritt. Mein erster Prototyp des wasserbasierten Schalters befindet sich im Stockholmer Museum, das von allen Nobelpreisträgern ein wichtiges Stück sammelt.

Welche Rolle spielt die Lehre als Professor bei Ihrer Suche nach wissenschaftlichen Erkenntnissen?
Aspect: Zu Lehren war für mich immer von entscheidender Bedeutung. Als ich anfing, war die Quantenoptik noch kein etabliertes Fachgebiet. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gab es noch viele Diskussionen. Einige sagten, dass man Licht quantisieren müsse, während andere behaupteten, dass alle uns bekannten Phänomene mit klassischen elektromagnetischen Wellen zu beschreiben seien. Erst 1979 zeigten Leonard Mandel, Mario Dagenais und Jeff Kimble in ihrem entscheidenden Experiment, dass man Licht quantisieren muss. Im Lauf meines Lebens hat sich das Thema sehr weiterentwickelt. Es zu unterrichten bedeutete, wirklich tief darüber nachzudenken, was ich den Studenten vermitteln wollte. Das half mir, meinen eigenen Standpunkt zur Quantenoptik zu klären. Mein Einführungsbuch zu Lasern und Quantenoptik, das ich mit zwei Kollegen geschrieben habe und das bei Cambridge University Press erschienen ist, verkauft sich immer noch gut. Es gibt meine Sicht der Quantenoptik wieder, die während meiner Lehrtätigkeit gereift ist. Tatsächlich entstand die Idee des Schalters für Licht, als ich Studenten unterrichtete, die sich auf eine schwierige Prüfung in Experimentalphysik vorbereiteten. Sie diskutierten, ob es bei der Wechselwirkung von Schallwellen und Licht einen Unterschied zwischen der Verwendung einer stehenden oder einer laufenden akustischen Welle gibt. Ich musste ein Urteil treffen, schließlich war ich der Professor. Während ich darüber nachdachte, kam mir die Idee, die akusto-optische Wechselwirkung mit einer stehenden Welle zu nutzen, um den Schalter zu realisieren. Beim Lehren lernt man und klärt seine Gedanken, weil man sie in Worte fassen muss.

Hat das Wissen über das, was Sie als Quanten-Nichtlokalität bezeichnen, Ihre Entscheidungen im Alltag beeinflusst. Offensichtlich gibt es Einflüsse, die über unser Verständnis von Raum und Zeit hinausgehen.
Aspect: Zu Philosophie habe ich nicht viel zu sagen. Ich akzeptiere die Quanten-Nichtlokalität. Ich kann vollkommen verstehen, dass manche Menschen das nicht mögen. Aber der Titel meines Buches lautet „Wenn Einstein gewusst hätte“. Wir wissen, dass wir zwischen zwei Grundpfeilern von Einsteins Sichtweise wählen müssen: dass ein Objekt eine physikalische Realität hat und ist und andererseits, dass diese physikalische Realität nicht schneller als Licht zu manipulieren ist. Ich denke, dass er die physikalische Realität beibehalten und den schneller als Licht wirkenden Einfluss zwischen diesen Realitäten akzeptiert hätte.

Warum?
Aspect: Weil die Quanten-Nichtlokalität nicht nutzbar ist, um Signale oder Informationen schneller als Licht zu übertragen. Man kann nicht einfach einen Knopf drücken und so eine Lampe in einiger Entfernung zum Leuchten bringen. Es gibt also keinen Widerspruch zur operativen Relativitätstheorie. Einstein war fest davon überzeugt, dass Objekte eine physikalische Realität haben. Als einmal einer seiner Freunde Bohrs Argument vertrat, dass die physikalische Realität davon abhängt, wie man ein Objekt beobachtet, zeigte er auf den Mond und fragte: „Glaubst Du im Ernst, dass der Mond nicht da ist, wenn wir nicht hinsehen?“ Davon bin ich auch überzeugt. Aber wir müssen die Nichtlokalität akzeptieren. Das hat aber keinen Einfluss auf meine Alltagsentscheidungen.

Freuen Sie sich, wenn Ingenieure Ihre Forschung aufgreifen und in Produkte umsetzen?
Aspect: Natürlich! In der Grundlagenforschung arbeitet man daran, Wissen zu schaffen. Das ist an sich schon befriedigend. Wenn dann jemand dieses Wissen nutzt, um neue Anwendungen und Produkte zu realisieren, ist das wunderbar. Ich freue mich, dass Menschen Quantentechnologien entwickeln und dass Ingenieure hart daran arbeiten, die Systeme zu verbessern. Ich bin einer der Mitgründer des Start-ups PASQAL. Mein ganzes Leben lang habe ich meinen Mitarbeitern gesagt: Wenn ihr eine gute Idee habt, dann gründet! Als einige meiner ehemaligen Studenten beschlossen, PASQAL zu gründen, kamen sie zu mir und erinnerten mich an meine Worte. – Ich musste mich also beteiligen und habe es gerne getan!