Frankreich

Alain Aspect

Balzan Preis 2013 für Quanteninformatik: Mechanismen und Kommunikation

Für seine wegweisenden Experimente, welche die Quantenmechanik eindrucksvoll gegenüber Theorien lokaler verborgener Variablen bestätigen. Seine Forschungen haben den Weg für die experimentelle Beeinflussung verschränkter Quantenzustände geebnet, was für die Quanteninformatik von größter Bedeutung ist.

Alain Aspect ist vor allem für seine experimentellen Überprüfungen der Bellschen Ungleichungen berühmt, die 1981-1982 am Institut d’Optique in Orsay, Frankreich, durchgeführt wurden. Diese Arbeiten gelten bei vielen Wissenschaftlern als Grundlage, die zur Entstehung der Quanteninformationswissenschaft führte. Allgemein wurden sie als „Aspect Experiments“ weithin bekannt.
Die Bellschen Ungleichungen, die der verstorbene John Bell 1964 aufstellte, bieten die Möglichkeit, Voraussagen der Quantenmechanik gegenüber einer Vielzahl alternativer Theorien zu überprüfen, welche als „Theorien lokaler verborgener Variablen“ bekannt sind. Die klassische (Nicht-Quanten-)Physik stellt ein Beispiel solcher Theorien dar. Die entsprechenden Experimente beinhalten Messungen an Photonen, die sich in entgegengesetzter Richtung voneinander entfernen, und liefern insbesondere den Nachweis von Korrelationen zwischen einigen ihrer physikalischen Eigenschaften, zum Beispiel ihren Polarisationszuständen. Wesentlich dabei ist die Tatsache, dass die Messungen an weit voneninander entfernten Objekten erfolgen, da bei der Ableitung der Bellschen Ungleichungen die Annahme der „Lokalität“ gemacht wird, oder – anders ausgedrückt – dass Information sich nicht schneller ausbreiten kann als das Licht.

Die wesentlichsten Beiträge Aspects bestehen darin, eine „realisierbare Versuchsanordnung“ vorzuschlagen, womit die Richtung der Polarisatoren beim Durchtritt der Photonen durch die Anordnung rasch geändert werden kann, und dann diese Art von Experiment tatsächlich durchzuführen.
Die im Experiment von Aspect untersuchten Photonen stammen von einem einzigen Atom und bilden das, was man in der Quantenmechanik als einen „entangled“ oder „verschränkten“ Zustand bezeichnet. Durch die Beobachtung des Zustands des einen Photons kann man den Messzustand des zweiten Photons voraussagen. Dieser Sachverhalt stellt für sich genommen das Beispiel eines Quantenbits dar (Qubit) – ein Quantensystem, das in zwei Zuständen, nämlich den beiden Polarisationszuständen existieren kann. Das Qubit ist grundlegender Bestandteil eines „Quantum-Computers“, dessen Konzeption ebenfalls in die Jahre der „Aspect Experiments“ fällt.

Alain Aspects Experimente haben grosse Aufmerksamkeit auf sich gezogen und eine Lawine an theoretischen und experimentellen Arbeiten zur Quantenverschränkung ausgelöst. In der Folge wurden neue Wege zur Realisierung des Quantencomputers beschritten und es konnten verschränkte Zustände von Photonen, kalten Atomen, kalten gefangenen Ionen und später auch im Festkörper nachgewiesen werden. Die frühen Experimente von Alain Aspect stellen den Beginn der Erforschung der Quanteninformation dar.