Die Teleportation von Teilchen unter dem Donaukanal, ein Langstreckenrekord für Quanteneffekte zwischen den Kanarischen Inseln Teneriffa und La Palma, das erste durch die Prinzipien der Quantenphysik gesicherte Videotelefonat – mit Experimenten wie diesen hat uns der Quantenphysiker und Präsident der Akademie der Wissenschaften Anton Zeilinger nicht nur einen neuen Blick auf die Welt eröffnet – sein Forschungsfeld bietet zugleich neue technische Anwendungen. Als einer der maßgeblichen Proponenten der Quantenphysik in Österreich hat Zeilinger wesentlich dazu beigetragen, das Land in diesem Bereich an die Weltspitze zu katapultieren. Ein Gespräch über die Physik der kleinsten Teilchen und ihre weitreichenden Folgen.

STANDARD: Mit Erwin Schrödinger oder Wolfgang Pauli gab es in Österreich bedeutende Pioniere der Quantenphysik. Nach dem Zweiten Weltkrieg konnte sich das Forschungsfeld hier allerdings lange nicht etablieren – wie gelang es schließlich doch?

Zeilinger: Ich kann nur aus meiner eigenen Erfahrung sprechen: Im Studium hier an der Universität Wien gab es damals de facto kein Curriculum. Für wissenschaftliche Studien würde ich das wieder einführen. Derzeit sind wir dermaßen verschult – das ist nicht gut für die Ausbildung zum Wissenschafter. Ich hatte daher im Laufe meines Studiums keine Lehrveranstaltungen zu Quantenphysik, sondern habe darüber aus Büchern gelernt. Schon damals habe ich gemerkt, dass der Frage, was das alles bedeutet, immer wieder ausgewichen wird. Ich hatte das große Glück, dass ich meine Doktorarbeit bei Helmut Rauch machen konnte. Er hat mit Neutroneninterferometern und anderen Arbeiten wieder wegweisende Physik in Österreich gemacht. Über diesen Weg bin ich zur Quantenphysik gekommen.

STANDARD: Wie ist Österreich heute in der Quantenphysik aufgestellt?

Zeilinger: Österreich ist im Verhältnis zu seiner Größe, aber auch unabhängig davon sehr stark. Wir haben eine gewaltige Stärke in Innsbruck. Wir bündeln auch in Wien an den Universitäten und an der Akademie der Wissenschaften viel Kompetenz. Zuletzt sind das Institute of Science and Technology in Klosterneuburg und die Universität Linz eingestiegen. Auch in Graz wird zu Quantenphysik gearbeitet. Wir sind, was den Output angeht, eines der am besten aufgestellten Länder der Welt. Für die Zukunft ist wichtig, dass die österreichischen Gruppen kohärent und gemeinsam auftreten.

STANDARD: Was fasziniert Sie persönlich an der Quantenphysik?

Zeilinger: Zunächst war es die unglaubliche mathematische Schönheit der Quantentheorie, die mich von Anfang an begeistert hat. Zweitens waren es die kontraintuitiven Vorhersagen der Theorie für einzelne Quantenteilchen. Beides gemeinsam hat mich fasziniert und ich hatte das Glück, dass ich das in meinem Leben wissenschaftlich machen konnte. Ich muss dazusagen: Als ich begonnen habe, mich für diese Dinge zu interessieren, haben einige Kollegen gesagt: "Was machst du da? Es ist ja alles klar mit der Quantenphysik. Damit vertust du nur deine Zeit." Dieses Gebiet wurde lange Zeit etwas skeptisch angesehen, vor allem die Beschäftigung mit den Grundlagen der Quantenmechanik. Warum, das ist mir ein Rätsel. Da müsste man wahrscheinlich Sigmund Freud fragen.

STANDARD: Wie konnte sich die Quantenphysik von ihrem schlechten Image befreien?

Zeilinger: In Österreich war das vor allem durch die schönen Experimente, die mit Rauch begonnen haben. Auch John Bell, der am Kernforschungszentrum Cern zu ganz anderen Dingen gearbeitet hat, wurde seltsam angesehen, als er sich mit Grundlagen der Quantenmechanik beschäftigte. Das hat sich erst verändert, als man gesehen hat, dass diese Überlegungen auch praktisch für etwas gut sind.

STANDARD: Die Arbeiten von John Bell zur quantenmechanischen Verschränkung haben den Weg für neue Technologien eröffnet. Welche Durchbrüche erwarten Sie in der näheren Zukunft?

Zeilinger: Quantenkryptografie ist das Gebiet, das heute am weitesten in der Anwendung ist. Dabei werden Nachrichten auf eine Weise, die durch Naturgesetze garantiert ist, sicher übertragen. Die Datenraten sind noch gering, aber man kann schon jetzt klassische Kommunikationssysteme quantenphysikalisch verschlüsseln – und dadurch die Übertragung sicherer machen. Wir werden bestimmt auch irgendwann ein Quanteninternet haben. Der universelle Quantencomputer, der jedes Problem lösen könnte, dauert wohl noch einige Zeit. Es gibt aber schon kleine Quantensimulatoren, die bald interessant für die Anwendung sein könnten.

STANDARD: Warum ist es trotz der vielversprechenden Anwendungen wichtig, die Grundlagenforschung nicht aus dem Blick zu verlieren?

Zeilinger: Die wirklich großen Durchbrüche kommen immer von der Grundlagenforschung. Man kann Forschung nicht nur durch den ökonomischen Nutzen definieren, es geht auch um den Erkenntnisgewinn.

STANDARD: Die Quantenphysik hat unser Verständnis von der Welt grundlegend geändert. Was sind für Sie die wichtigsten Lektionen?

Zeilinger: Es kristallisiert sich immer mehr heraus, dass die Information ein zentraler Begriff in der Quantenphysik ist. Früher waren die Diskussionen um die Quantenphysik sehr formal und dogmatisch, heute ist alles sehr praktisch geworden, hands-on. Wie sich ein einzelnes Lichtteilchen verhält, über das kann man heute ganz normal reden. Über die Frage der Interpretationen der Quantenphysik gibt es aber nach wie vor sehr verschiedene Meinungen.

STANDARD: Wenn man davon ausgeht, dass der Informationsbegriff zentral für die Quantenphysik ist, wie verändert sich dadurch das Verständnis von Wirklichkeit?

Zeilinger: Das ist die alte berühmte Frage: Was ist Wirklichkeit? Was ist wirklich? Was ist wirklich wirklich? Ist wirklich alles wirklich wirklich, von dem wir glauben, das es wirklich ist? Es gibt Situationen, wo es falsch ist, anzunehmen, dass das, was wir im Experiment beobachten, vorher bereits als Wirklichkeit existiert hat. Es ist vielmehr so, dass der Messwert, den wir beobachten, spontan und rein zufällig entsteht. Wir glauben, dass der quantenmechanische Zufall keine tieferliegende Erklärung hat. Das ist in den vergangenen Jahren viel stärker in das Bewusstsein der Physiker gedrungen. Man darf natürlich das Kind nicht mit dem Bad ausschütten und behaupten, alles hängt nur vom Experiment ab. Das wäre zu weit hergeholt. Der Mond ist einfach da, egal, ob man hinschaut oder nicht.

STANDARD: Bleiben wir noch kurz beim Zufall in der Quantenphysik – welche Probleme und Möglichkeiten ergeben sich daraus?

Zeilinger: Der Zufall ist schon etwas Hochinteressantes. Ich habe das Gefühl, dass er der Alltagserfahrung der meisten Menschen widerspricht. Man versucht immer, für alles, was man erlebt, einen Grund angeben zu können. Das geht zumindest im Fall des quantenmechanischen Einzelereignisses in der Regel nicht mehr. Ein Beispiel: Wir können nicht vorhersagen, wann ein bestimmtes Atom zerfällt – es ist nicht so, dass wir die Ursache nur nicht kennen, sondern es gibt einfach keine ursächliche Erklärung dafür. Für mich ist das eine der tiefsten Erkenntnisse des 20. Jahrhunderts.

STANDARD: Sie gelten als ein Naturwissenschafter, der keine Berührungsängste mit Philosophen oder Theologen hat, und haben sich auch mehrfach mit dem Dalai Lama getroffen – was motiviert Sie zu solchen Begegnungen, und inwiefern kann die Physik davon profitieren?

Zeilinger: Da möchte ich aus der Bibel zitieren: "Der Geist weht, wo er will." Man weiß nicht, woher eine wirklich neue Idee kommt. Für mich sind Religionen Teil der geistigen Tradition der Menschheit, so wie die Wissenschaften. Man sollte das nicht auf die Seite schieben. Bei Diskussionen mit Theologen oder dem Dalai Lama habe ich immer wieder Sichtweisen kennengelernt, die hochinteressant sind. Je offener man ist, je mehr verschiedene Dinge man in sich aufnimmt, umso größer ist die Chance, etwas wirklich Interessantes zu finden.

STANDARD: Man sollte die Bedeutung des Zufalls in der Wissenschaft also nicht geringschätzen?

Zeilinger: Die langfristige Planung von Wissenschaft funktioniert nur dann, wenn man fade Sachen vorhat. Heute muss man oft Forschungsanträge schreiben, wo man angibt, was man in drei, vier oder fünf Jahren macht. Bei technischen Entwicklungen macht das Sinn: Wenn man ein Flugzeug bauen will, das beim Start nicht durch einen Softwarefehler abstürzt, muss man ein klares Ziel vor Augen haben. Aber wenn in der Grundlagenforschung jemand in drei Jahren genau das macht, wofür er das Geld beantragt hat, würde ich ihm das Geld wegnehmen, weil es dann nicht interessant sein kann. Die Wissenschaft ist nicht planbar, doch das geht immer mehr verloren. Im Forschungsbetrieb wird immer mehr Planung verlangt und Kennzahlen, an denen man beurteilen kann, ob man die Pläne erreicht hat. Das ist nicht gut für die Wissenschaft.

STANDARD: Haben Sie eine Einschätzung, wie neuere Technologien die Quantenforschung beeinflussen könnten?

Zeilinger: Es gibt einen Trend, künstliche Intelligenz für Quantenexperimente einzusetzen. Der in Wien entwickelte Algorithmus "Melvin" beispielsweise hat Lösungen gefunden, auf die wir Menschen nicht so leicht gekommen wären – der Weg dazu wäre für uns einfach nicht intuitiv gewesen. Die Frage ist, ob das zu einem tieferen Verständnis der Physik führt. Darauf habe ich noch keine Antwort.

STANDARD: Es gibt immer mehr Forschung dazu, welche Rolle die Quantenphysik in der Biologie spielen könnte. Was sind dabei die großen ungelösten Fragen?

Zeilinger: Die ganz große Frage ist: Spielt die Quantenphysik in unserer eigenen Informationsverarbeitung im Gehirn eine Rolle? Das ist eine jener Fragen, auf die jede Antwort wichtig wäre – ein Ja genauso wie ein Nein. Das ist ein unglaublich komplexes Problem. Die meisten Wissenschafter glauben, dass dabei keine Quanteneffekte im Spiel sind, weil das Gehirn eine sehr hohe Temperatur hat und in ständiger Wechselwirkung mit der Umgebung ist – das sind an sich Ausschließungsgründe für quantenmechanische Phänomene. Aber ist das ein schlüssiger Beweis? Ich glaube nicht. Ich habe das Gefühl, dass wir bei der Erforschung des Bewusstseins in einer ähnlichen Situation sind, wie es die Physik im 19. Jahrhundert gewesen ist. Was wirklich neue Erkenntnisse betrifft, haben wir noch keine Ahnung, in welche Richtung es gehen könnte.

STANDARD: Und aus welcher Richtung könnten die großen neuen Erkenntnisse in der Physik künftig kommen?

Zeilinger: Wir sollten unsere Fantasie nicht beschränken. Schauen Sie sich die großen ungelösten Fragen an: Was ist Dunkle Energie? Was ist Dunkle Materie? Wie lassen sich Gravitation und Quantenphysik vereinigen? Da haben die besten und intelligentesten Wissenschafter jahrzehntelang daran gearbeitet, und wir haben bis heute keine Antworten. Das bedeutet für mich, dass wir wahrscheinlich noch nicht einmal auf dem richtigen Weg sind. (Tanja Traxler, Peter Illetschko, 1.4.2019)