Um das Jahr 1900 herum war die klassische Physik bei Themen wie der Beschreibung des Lichts an ihre Grenzen gestoßen. Der deutsche Physiker Max Planck entwickelte daher die Quantenhypothese, die besagt, dass Strahlung wie Licht mit Materie nicht beliebige Energiemengen austauschen kann, sondern nur bestimmte Energiepakete, die Quanten. Albert Einstein gewann 1921 für die Weiterentwicklung dieser Hypothese den Nobelpreis. Die Idee, dass diese Quantenteilchen miteinander verschränkt sein können, ihre Zustände also voneinander abhängig sind, lehnte Einstein ab.

2022 erhielten nun drei Physiker den Nobelpreis, die genau dieses Phänomen der Teilchenverschränkung zeigen konnten. John Clauser, Alain Aspect und Anton Zeilinger konnten mit ihren Experimenten die Zweifel an der Theorie zerstreuen und die Basis für die praktische Anwendung der vorher noch rätselhaften Quantenmechanik schaffen.

Quantenforschung am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts

Sie spielt auch heute der Forschung am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) eine große Rolle. Zahlreiche Wissenschaftler in mehreren Abteilungen und Forschungsgruppen decken hier ein breites Forschungsspektrum ab, darunter Quantenoptik und Quantentechnologien wie Quantenkommunikation, oder Verschlüsselungstechnologien. Die Abteilung Nanooptik von MPL-Direktor Vahid Sandoghdar hat sich darauf fokussiert, die experimentelle und theoretische Beherrschung von Licht-Materie-Wechselwirkung im Nanobereich voranzutreiben. Professor Sandoghdar erklärt: Die Realisierung von scheinbar einfachen Quantenzuständen im Labor stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Wir untersuchen einzelne Quantenemitter wie Moleküle, die entweder direkt oder über einem photonischen Schaltkreis an einander koppeln. Dazu müssen wir lernen, Materie und Licht auf der Quantenebene zu kontrollieren.

Maria Chekhova, Forschungsgruppenleiterin am MPL, forscht seit über 20 Jahren an verschränkten Photonen. Für Sie ist die Verleihung des diesjährigen Nobelpreises eine großartige Nachricht: „In den letzten Jahren haben wir in einigen unserer Experimente die nichtlineare Interferometrie eingesetzt, bei der verschränkte Photonen von zwei SPDC-Quellen erzeugt werden, was zu Quanteninterferenz führt. Einer der Nobelpreisträger, Anton Zeilinger, hat auf der Grundlage dieser nichtlinearen Interferenz ein Verfahren für neuartige Bildgebung entwickelt. Ich glaube, dass diese Richtung eine große Zukunft hat, und ich freue mich, sie weiter zu entwickeln.“

Ein weiterer Forschungsgruppenleiter, dessen Arbeit in direkten Zusammenhang mit Quantenphysik steht, ist Mario Krenn, der in der Theorieabteilung von MPL-Direktor Florian Marquardt angesiedelt ist. Krenn, der bei dem Laureaten Anton Zeilinger promoviert hat, legt seinen Fokus auf den Bereich der künstlichen Intelligenz. Ein Ziel seiner Forschung ist es, mithilfe von künstlicher Intelligenz neue, überraschende Ideen im Bereich der Quantenphysik zu entwickeln. Über seinen Doktorvater sagt er: „Anton Zeilinger ermutigt Studenten und Mitarbeiter stets dazu, über den Tellerrand zu schauen und ist sehr offen für neue Ideen. Diese offene Denkweise und seine grundlegende Neugierde haben mein eigenes Forschungsinteresse stark beeinflusst.“

Das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts hat als Zentrum der Quantenforschung auch direkte persönliche Verbindungen mit den Nobelpreisträgern. Gerd Leuchs, der einer der Gründer des MPL und aktuell Direktor emeritus, erinnert sich: „Alain Aspect und Anton Zeilinger kenne ich schon seit Jahrzehnten, John Clauser von seinen Arbeiten her. Alain Aspect hat viele Jahre dem Fachbeirat für das MPL beigewohnt. Anton Zeilinger war außerdem von dem Präsidenten der Max-Planck-Gesellschaft als Berichterstatter ernannt worden, um die Arbeit der Fachberater an mehreren Max-Planck-Instituten in unserem Forschungsfeld zu vergleichen.“

Bild (© Nobel Prize Outreach. Illustration: Niklas Elmehed): Nobelpreislaureaten für Physik 2022 Alain Aspect, John F. Clauser und Anton Zeilinger