Quantenverschränkung und Photonen: Von Aspect bis Cirac – die Forscher, die das Fachgebiet geprägt haben
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Heute ist Vatertag. Und in der Welt der Quantenphotonik gibt es mindestens zwei Physiker, die diesen Tag mit ihren Töchtern, internationalen Auszeichnungen und jahrzehntelangen Experimenten feiern, die unser Verständnis von Licht neu definiert haben: Alain Aspect und Juan Ignacio Cirac. Der eine ist Franzose, der andere Spanier. Beide sind Väter. Beide haben – wenn auch in unterschiedlichem Maße – dazu beigetragen, dass die Quantenphotonik, wie wir sie heute kennen, überhaupt existiert.
Alain Aspect: Der Wissenschaftler, der bewies, dass Einstein (teilweise) Unrecht hatte
Alain Aspect ist verheiratet, hat zwei Kinder und sieben Enkelkinder. In der Welt der Wissenschaft ist seine Familie jedoch weitaus größer. Eine ganze Generation europäischer Quantenphysiker wurde unter seinem Einfluss ausgebildet.
Im Jahr 1981 wies er erstmals experimentell die Quantenverschränkung nach, indem er zwei Photonen über eine Entfernung von 12 Metern miteinander verschränkte. Dieses Experiment beendete jahrzehntelange Debatten zwischen den Ansichten von Einstein und Bohr über die Vollständigkeit der Quantenmechanik und öffnete die Tür zu dem, was er selbst als „zweite Quantenrevolution“ bezeichnete: das Zeitalter der Quanteninformatik, der photonischen Kryptografie und der Quantennetzwerke.
Im Jahr 2022 erhielt er gemeinsam mit Anton Zeilinger und John Clauser den Nobelpreis für Physik für diese bahnbrechende Arbeit mit verschränkten Photonen. Derzeit ist er emeritierter Forschungsdirektor am CNRS und Professor an der Institut d'Optique Graduate School der Universität Paris-Saclay.
Welches technische Erbe hinterlässt er?
Das Experiment von Aspect legte das Standard-Versuchsprotokoll für Bell-Test-Experimente mit polarisierten Photonen fest. Seine Ergebnisse bilden die empirische Grundlage, auf der heute Systeme zur quantenbasierten Schlüsselverteilung (QKD) und Protokolle für sichere Quantenkommunikation aufbauen.
Juan Ignacio Cirac: Der spanische Physiker, der herausfand, wie man einen Quantencomputer baut
Cirac lernte seine Frau im letzten Jahr der Oberstufe kennen, sie heirateten 1991 und bekamen kurz darauf ihre erste Tochter Alicia; 1995 kam die zweite Tochter, Sofía, zur Welt. Heute, da seine beiden Töchter bereits erwachsen sind, ist er nach wie vor einer der aktivsten und meistzitierten Forscher weltweit auf dem Gebiet der Quantencomputer und der Quantenoptik.
Er wurde in Manresa geboren, schloss sein Physikstudium an der Universidad Complutense de Madrid ab und promovierte 1991 im Bereich der Optik. Der Wendepunkt seiner Karriere kam 1994, als er auf einer Konferenz in Boulder (Colorado) Zeuge einer Demonstration wurde, dass ein Quantensystem jede klassische Verschlüsselung knacken könnte. Zusammen mit seinem Kollegen Peter Zoller entwickelten sie damals die Idee, wie man den ersten Quantencomputer bauen könnte. Diese Arbeit gilt heute als einer der wegweisenden Artikel auf diesem Gebiet.
Seit 2001 leitet er die Theoretische Abteilung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching (Deutschland) und erhielt 2025 die CSIC-Medaille für wissenschaftliche Exzellenz für seine Beiträge zu Quantenverschränkung, Quantenteleportation und Projektionszuständen.
Seine Verbindung zu Spanien und zum Photonik-Ökosystem
Cirac hat sich aktiv an der Gründung des Instituts für Photonische Wissenschaften (ICFO) in Barcelona beteiligt und damit die Position Spaniens in diesem strategischen Bereich gefestigt. Das ICFO ist heute eines der weltweit führenden Zentren für integrierte Quantenphotonik, mit Forschungsgruppen, die sich mit Einzelphotonenquellen, Quantenkommunikation und Siliziumphotonik befassen. Sein Einfluss auf das spanische Forschungsökosystem im Bereich der Photonik ist unmittelbar und messbar.
Jian-Wei Pan: Der „Vater der Quantenphysik“ in China
Im Jahr 2017 nahm ihn die Zeitschrift „Nature“ unter dem Beinamen „Father of Quantum“ in ihre jährliche Liste der zehn Personen auf, die die Wissenschaft am stärksten geprägt haben. Er ist Professor an der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie (USTC) in Hefei und gilt weltweit als der wohl einflussreichste aktive Forscher auf dem Gebiet der angewandten Quantenphotonik.
Pan leitete das Projekt des weltweit ersten Quantensatelliten, Micius, der 2017 dank in Photonen im Quantenzustand kodierter Verschlüsselungscodes eine absolut sichere Videokonferenz zwischen Wien und Peking ermöglichte. Pan promovierte unter der Leitung von Anton Zeilinger in Wien, bevor er nach China zurückkehrte, um diese Technologien dort einzuführen. Die Beziehung zwischen den beiden ist eines der deutlichsten Beispiele dafür, wie Quantenphotonik von Generation zu Generation, von Labor zu Labor und über Grenzen hinweg weitergegeben wird.
Bedeutung für die integrierte Photonik
Pans Arbeit zu Mehrphotonen-Verknüpfung und Quantenkommunikation über Satellit hat direkte Auswirkungen auf den Entwurf von photonischen Fernnetzen. Seine Experimente legen die Anforderungen an Kohärenz und Genauigkeit fest, die jede photonische Chip-Architektur erfüllen muss, um in ein zukünftiges globales Quantennetzwerk integriert werden zu können.
Anton Zeilinger: Der Lehrer, der die Lehrer ausbildete
Anton Zeilinger, emeritierter Professor der Universität Wien, leistete durch seine theoretischen und experimentellen Arbeiten zur Verschränkung Pionierarbeit in der Quantenmechanik und demonstrierte 1997 erstmals die Quantenteleportation.
Sein Einfluss auf das Fachgebiet geht über seine eigenen Experimente hinaus: Er war Doktorvater von Jian-Wei Pan, einem der weltweit einflussreichsten Forscher auf dem Gebiet der Quantenphotonik. Im Jahr 2022 erhielt er gemeinsam mit Aspect und Clauser den Nobelpreis für Physik für die Experimente mit verschränkten Photonen, die die Verletzung der Bellschen Ungleichungen nachwiesen.
Was sein wissenschaftliches Vermächtnis angeht, ist Zeilinger vielleicht die Persönlichkeit, die die Idee der „intellektuellen Vaterschaft“ in diesem Bereich am besten verkörpert: Seine Studenten und Mitarbeiter leiten heute die weltweit bedeutendsten Labore auf dem Gebiet der Quantenphotonik.
Ein Fachgebiet, das auf einem Erbe aufbaut
An diesem Vatertag ist diese Kette wissenschaftlicher Vererbung vielleicht das beste Argument, um zu verstehen, warum Quantenphotonik nicht nur Technologie ist: Sie ist auch Kultur, Weitergabe und Zeit.
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