Quantenverschränkung – menschliche Körper – Selbsterkenntnis – Artikelkatalog – bedingungslose Liebe. Was ist Quantenverschränkung? Das Phänomen der Quantenverschränkung

Übersetzung

Die Quantenverschränkung ist eines der komplexesten Konzepte der Wissenschaft, ihre Grundprinzipien sind jedoch einfach. Und sobald die Verschränkung verstanden ist, eröffnet sie den Weg zu einem besseren Verständnis von Konzepten wie den vielen Welten in der Quantentheorie.

Eine bezaubernde Aura des Mysteriums umgibt das Konzept der Quantenverschränkung und (irgendwie) die damit verbundene Forderung der Quantentheorie, dass es „viele Welten“ geben muss. Und doch handelt es sich im Kern um wissenschaftliche Ideen mit bodenständiger Bedeutung und konkreten Anwendungen. Ich möchte die Konzepte der Verschränkung und vieler Welten so einfach und klar erklären, wie ich sie kenne.

ICH

Es wird angenommen, dass die Verschränkung ein Phänomen ist, das nur in der Quantenmechanik vorkommt – aber das ist nicht der Fall. Tatsächlich ist es möglicherweise zunächst verständlicher (obwohl dies ein ungewöhnlicher Ansatz ist), eine einfache, nicht quantenmechanische (klassische) Version der Verschränkung zu betrachten. Dies wird es uns ermöglichen, die mit der Verschränkung selbst verbundenen Feinheiten von anderen Kuriositäten der Quantentheorie zu trennen.

Verschränkung tritt in Situationen auf, in denen wir teilweise Informationen über den Zustand zweier Systeme haben. Beispielsweise können zwei Objekte zu unseren Systemen werden – nennen wir sie Kaonen. „K“ steht für „klassische“ Objekte. Aber wenn Sie sich wirklich etwas Konkretes und Angenehmes vorstellen möchten, stellen Sie sich vor, dass es sich um Kuchen handelt.

Unsere Kaonen werden zwei Formen haben, quadratisch oder rund, und diese Formen zeigen ihre möglichen Zustände an. Dann sind die vier möglichen Verbindungszustände der beiden Kaonen: (Quadrat, Quadrat), (Quadrat, Kreis), (Kreis, Quadrat), (Kreis, Kreis). Die Tabelle zeigt die Wahrscheinlichkeit, mit der sich das System in einem der vier aufgeführten Zustände befindet.

Wir werden sagen, dass Kaonen „unabhängig“ sind, wenn das Wissen über den Zustand eines von ihnen uns keine Informationen über den Zustand des anderen liefert. Und dieser Tisch hat eine solche Eigenschaft. Wenn der erste Kaon (Kuchen) quadratisch ist, kennen wir die Form des zweiten noch nicht. Umgekehrt sagt uns die Form des zweiten nichts über die Form des ersten.

Andererseits werden wir sagen, dass zwei Kaonen verschränkt sind, wenn Informationen über eines von ihnen unser Wissen über das andere verbessern. Die zweite Tafel wird uns starke Verwirrung zeigen. Wenn in diesem Fall das erste Kaon rund ist, wissen wir, dass auch das zweite Kaon rund ist. Und wenn das erste Kaon quadratisch ist, dann ist das zweite dasselbe. Wenn wir die Form des einen kennen, können wir die Form des anderen eindeutig bestimmen.

Die Quantenversion der Verschränkung sieht im Wesentlichen gleich aus – es handelt sich um einen Mangel an Unabhängigkeit. In der Quantentheorie werden Zustände durch mathematische Objekte beschrieben, die Wellenfunktionen genannt werden. Die Regeln, die Wellenfunktionen mit physikalischen Möglichkeiten kombinieren, führen zu sehr interessanten Komplikationen, die wir später diskutieren werden, aber das Grundkonzept des verschränkten Wissens, das wir für den klassischen Fall demonstriert haben, bleibt dasselbe.

Obwohl Brownies nicht als Quantensysteme betrachtet werden können, kommt es auf natürliche Weise zu Verschränkungen in Quantensystemen, beispielsweise nach Teilchenkollisionen. In der Praxis können unverflochtene (unabhängige) Zustände als seltene Ausnahmen angesehen werden, da bei der Interaktion von Systemen Korrelationen zwischen ihnen entstehen.

Betrachten Sie zum Beispiel Moleküle. Sie bestehen aus Subsystemen – genauer gesagt aus Elektronen und Kernen. Der minimale Energiezustand eines Moleküls, in dem es normalerweise existiert, ist ein stark verschränkter Zustand von Elektronen und Kern, da die Anordnung dieser Teilchenbestandteile in keiner Weise unabhängig ist. Wenn sich der Kern bewegt, bewegt sich das Elektron mit.

Kehren wir zu unserem Beispiel zurück. Wenn wir Φ■, Φ● als Wellenfunktionen schreiben, die das System 1 in seinen quadratischen oder runden Zuständen beschreiben, und ψ■, ψ● als Wellenfunktionen, die das System 2 in seinen quadratischen oder runden Zuständen beschreiben, dann können in unserem Arbeitsbeispiel alle Zustände beschrieben werden. Wie:

Unabhängig: Φ■ ψ■ + Φ■ ψ● + Φ● ψ■ + Φ● ψ●

Verschränkt: Φ■ ψ■ + Φ● ψ●

Die unabhängige Version kann auch wie folgt geschrieben werden:

(Φ■ + Φ●)(ψ■ + ψ●)

Beachten Sie, dass im letzteren Fall die Klammern das erste und zweite System klar in unabhängige Teile trennen.

Es gibt viele Möglichkeiten, verschränkte Zustände zu erzeugen. Eine besteht darin, ein zusammengesetztes System zu messen, das Ihnen Teilinformationen liefert. Man kann zum Beispiel lernen, dass zwei Systeme sich auf die gleiche Form geeinigt haben, ohne zu wissen, welche Form sie gewählt haben. Dieses Konzept wird etwas später wichtig werden.

Die häufigeren Effekte der Quantenverschränkung, wie der Einstein-Podolsky-Rosen-Effekt (EPR) und der Greenberg-Horn-Seilinger-Effekt (GHZ), ergeben sich aus ihrer Wechselwirkung mit einer anderen Eigenschaft der Quantentheorie, dem Komplementaritätsprinzip. Um EPR und GHZ zu besprechen, möchte ich Ihnen zunächst dieses Prinzip vorstellen.

Bisher haben wir uns vorgestellt, dass es Kaonen in zwei Formen gibt (quadratisch und rund). Stellen wir uns nun vor, dass es sie auch in zwei Farben gibt – Rot und Blau. Betrachtet man klassische Systeme wie Kuchen, würde diese zusätzliche Eigenschaft bedeuten, dass das Kaon in einem von vier möglichen Zuständen existieren könnte: rotes Quadrat, roter Kreis, blaues Quadrat und blauer Kreis.

Aber Quantenkuchen sind Quantonen... Oder Quantonen... Sie verhalten sich völlig anders. Die Tatsache, dass ein Quanton in manchen Situationen unterschiedliche Formen und Farben haben kann, bedeutet nicht unbedingt, dass es gleichzeitig Form und Farbe hat. Tatsächlich entspricht der gesunde Menschenverstand, den Einstein von der physikalischen Realität forderte, nicht den experimentellen Tatsachen, wie wir gleich sehen werden.

Wir können die Form eines Quantons messen, verlieren dabei aber alle Informationen über seine Farbe. Oder wir können die Farbe messen, verlieren aber Informationen über ihre Form. Der Quantentheorie zufolge können wir Form und Farbe nicht gleichzeitig messen. Niemand hat eine vollständige Sicht auf die Quantenrealität; Wir müssen viele verschiedene und sich gegenseitig ausschließende Bilder berücksichtigen, von denen jedes sein eigenes unvollständiges Bild davon hat, was passiert. Dies ist die Essenz des Komplementaritätsprinzips, wie es von Niels Bohr formuliert wurde.

Infolgedessen zwingt uns die Quantentheorie dazu, bei der Zuschreibung von Eigenschaften zur physikalischen Realität vorsichtig zu sein. Um Widersprüche zu vermeiden, müssen wir Folgendes zugeben:

Eine Eigenschaft existiert nicht, solange sie nicht gemessen wird.
Die Messung ist ein aktiver Prozess, der das gemessene System verändert

II

Nun beschreiben wir zwei beispielhafte, aber nicht klassische Illustrationen der Kuriositäten der Quantentheorie. Beide wurden in strengen Experimenten getestet (in echten Experimenten messen Menschen nicht die Formen und Farben von Kuchen, sondern die Drehimpulse von Elektronen).

Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen (EPR) beschrieben einen überraschenden Effekt, der auftritt, wenn zwei Quantensysteme verschränkt werden. Der EPR-Effekt kombiniert eine spezielle, experimentell erreichbare Form der Quantenverschränkung mit dem Prinzip der Komplementarität.

Ein EPR-Paar besteht aus zwei Quantonen, von denen jedes in Form oder Farbe gemessen werden kann (aber nicht beide gleichzeitig). Angenommen, wir haben viele solcher Paare, die alle gleich sind, und wir können wählen, welche Messungen wir an ihren Komponenten vornehmen. Wenn wir die Form eines Mitglieds eines EPR-Paares messen, erhalten wir mit gleicher Wahrscheinlichkeit ein Quadrat oder einen Kreis. Wenn wir die Farbe messen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass wir Rot oder Blau erhalten, gleich hoch.

Interessante Effekte, die für EPR paradox schienen, treten auf, wenn wir beide Mitglieder des Paares messen. Wenn wir die Farbe beider Mitglieder oder ihre Form messen, stellen wir fest, dass die Ergebnisse immer die gleichen sind. Das heißt, wenn wir feststellen, dass einer von ihnen rot ist und dann die Farbe des zweiten messen, stellen wir auch fest, dass er rot ist – und so weiter. Wenn wir hingegen die Form des einen und die Farbe des anderen messen, lässt sich keine Korrelation feststellen. Das heißt, wenn das erste ein Quadrat wäre, könnte das zweite mit gleicher Wahrscheinlichkeit blau oder rot sein.

Nach der Quantentheorie werden wir solche Ergebnisse auch dann erhalten, wenn die beiden Systeme weit voneinander entfernt sind und die Messungen nahezu gleichzeitig durchgeführt werden. Die Wahl des Messtyps an einem Standort scheint den Zustand des Systems an einem anderen Standort zu beeinflussen. Diese „erschreckende Aktion aus der Ferne“, wie Einstein es nannte, erfordert offenbar die Übertragung von Informationen – in unserem Fall Informationen über eine durchgeführte Messung – schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.

Aber ist es? Bis ich weiß, welche Ergebnisse Sie erzielt haben, weiß ich nicht, was mich erwartet. Ich erhalte nützliche Informationen, wenn ich Ihr Ergebnis kenne, nicht wenn Sie eine Messung durchführen. Und jede Nachricht, die das Ergebnis enthält, muss auf irgendeine physische Weise übertragen werden, langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit.

Bei weiterer Untersuchung bricht das Paradoxon noch mehr zusammen. Betrachten wir den Zustand des zweiten Systems, wenn die Messung des ersten eine rote Farbe ergab. Wenn wir uns entscheiden, die Farbe des zweiten Quantons zu messen, erhalten wir Rot. Aber nach dem Komplementaritätsprinzip haben wir die gleiche Chance, ein Quadrat oder einen Kreis zu erhalten, wenn wir uns dazu entschließen, seine Form im „roten“ Zustand zu messen. Daher ist das Ergebnis der EPR logisch vorbestimmt. Dies ist lediglich eine Neuformulierung des Prinzips der Komplementarität.

Es ist kein Paradoxon, dass entfernte Ereignisse miteinander korrelieren. Wenn wir schließlich einen von zwei Handschuhen eines Paares in Kartons packen und an verschiedene Enden des Planeten schicken, ist es nicht verwunderlich, dass ich durch einen Blick in einen Karton feststellen kann, für welche Hand der andere Handschuh bestimmt ist. Ebenso muss in allen Fällen die Korrelation von EPR-Paaren auf ihnen aufgezeichnet werden, wenn sie sich in der Nähe befinden, damit sie einer späteren Trennung standhalten können, als ob sie ein Gedächtnis hätten. Das Seltsame am EPR-Paradoxon liegt nicht in der Möglichkeit der Korrelation selbst, sondern in der Möglichkeit ihrer Erhaltung in Form von Ergänzungen.

III

Daniel Greenberger, Michael Horn und Anton Zeilinger entdeckten ein weiteres schönes Beispiel für Quantenverschränkung. IT umfasst drei unserer Quantonen, die sich in einem speziell vorbereiteten verschränkten Zustand (GHZ-Zustand) befinden. Wir verteilen sie jeweils an verschiedene Fernexperimentatoren. Jeder von ihnen wählt unabhängig und zufällig, ob er Farbe oder Form misst und zeichnet das Ergebnis auf. Das Experiment wird viele Male wiederholt, jedoch immer mit drei Quantonen im GHZ-Zustand.

Jeder einzelne Experimentator erhält zufällige Ergebnisse. Wenn er die Form eines Quantons misst, erhält er mit gleicher Wahrscheinlichkeit ein Quadrat oder einen Kreis; Wenn man die Farbe eines Quantons misst, ist es mit gleicher Wahrscheinlichkeit rot oder blau. Bisher ist alles normal.

Doch wenn die Experimentatoren zusammenkommen und die Ergebnisse vergleichen, zeigt die Analyse ein überraschendes Ergebnis. Nehmen wir an, wir nennen die quadratische Form und die rote Farbe „gut“ und die Kreise und die blaue Farbe „böse“. Experimentatoren stellen fest, dass, wenn sich zwei von ihnen für die Messung der Form und der dritte für die Messung der Farbe entscheiden, entweder 0 oder 2 der Messungen „böse“ sind (d. h. rund oder blau). Aber wenn sich alle drei dafür entscheiden, eine Farbe zu messen, dann sind entweder 1 oder 3 Dimensionen schlecht. Das ist es, was die Quantenmechanik vorhersagt, und genau das passiert.

Frage: Ist die Menge des Bösen gerade oder ungerade? Beide Möglichkeiten werden in unterschiedlichen Dimensionen realisiert. Wir müssen dieses Thema aufgeben. Es macht keinen Sinn, über das Ausmaß des Bösen in einem System zu sprechen, ohne es mit der Art und Weise in Beziehung zu setzen, wie es gemessen wird. Und das führt zu Widersprüchen.

Der GHZ-Effekt ist, wie der Physiker Sidney Coleman ihn beschreibt, „ein Schlag ins Gesicht der Quantenmechanik“. Es durchbricht die konventionelle, erfahrungsbasierte Erwartung, dass physikalische Systeme unabhängig von ihrer Messung vorgegebene Eigenschaften haben. Wenn dem so wäre, dann würde das Gleichgewicht zwischen Gut und Böse nicht von der Wahl der Messarten abhängen. Sobald Sie die Existenz des GHZ-Effekts akzeptieren, werden Sie ihn nicht vergessen und Ihr Horizont wird erweitert.

IV

Im Moment diskutieren wir, wie die Verschränkung uns daran hindert, mehreren Quantonen eindeutige unabhängige Zustände zuzuordnen. Die gleiche Argumentation gilt für Änderungen in einem Quanton, die im Laufe der Zeit auftreten.

Wir sprechen von „entangled histories“, wenn es unmöglich ist, einem System zu jedem Zeitpunkt einen bestimmten Zustand zuzuordnen. So wie wir bei der traditionellen Verschränkung Möglichkeiten ausschließen, können wir verflochtene Geschichten erstellen, indem wir Messungen durchführen, die Teilinformationen über vergangene Ereignisse sammeln. In den einfachsten verschränkten Geschichten haben wir ein Quanton, das wir zu zwei verschiedenen Zeitpunkten untersuchen. Wir können uns eine Situation vorstellen, in der wir feststellen, dass die Form unseres Quantons beide Male quadratisch oder beide Male rund war, aber beide Situationen bleiben möglich. Dies ist eine zeitliche Quantenanalogie zu den einfachsten Versionen der zuvor beschriebenen Verschränkung.

Mit einem komplexeren Protokoll können wir diesem System etwas mehr Details hinzufügen und Situationen beschreiben, die die „Viele-Welten“-Eigenschaft der Quantentheorie auslösen. Unser Quanton kann im roten Zustand hergestellt und dann im blauen Zustand gemessen und erhalten werden. Und wie in den vorherigen Beispielen können wir einem Quanton im Intervall zwischen zwei Dimensionen nicht dauerhaft die Eigenschaft der Farbe zuordnen; Es hat keine bestimmte Form. Solche Geschichten verwirklichen auf begrenzte, aber völlig kontrollierte und präzise Weise die Intuition, die dem Viele-Welten-Bild der Quantenmechanik innewohnt. Ein bestimmter Staat kann in zwei widersprüchliche historische Verläufe unterteilt werden, die sich dann wieder verbinden.

Erwin Schrödinger, der Begründer der Quantentheorie, der deren Richtigkeit skeptisch gegenüberstand, betonte, dass die Evolution von Quantensystemen natürlicherweise zu Zuständen führe, deren Messung äußerst unterschiedliche Ergebnisse liefern könne. Sein Gedankenexperiment mit „Schrödingers Katze“ postuliert, wie wir wissen, Quantenunsicherheit, ausgeweitet auf die Ebene des Einflusses auf die Katzensterblichkeit. Vor der Messung ist es unmöglich, einer Katze die Eigenschaft Leben (oder Tod) zuzuordnen. Beide oder keines davon existieren zusammen in einer jenseitigen Welt voller Möglichkeiten.

Die Alltagssprache ist nicht geeignet, die Quantenkomplementarität zu erklären, auch weil sie in der Alltagserfahrung nicht enthalten ist. Praktische Katzen interagieren auf völlig unterschiedliche Weise mit umgebenden Luftmolekülen und anderen Objekten, je nachdem, ob sie leben oder tot sind. In der Praxis erfolgt die Messung daher automatisch und die Katze lebt weiter (oder nicht). Doch die Geschichten beschreiben die Quantonen, die Schrödingers Kätzchen sind, mit Verwirrung. Ihre vollständige Beschreibung erfordert die Betrachtung zweier sich gegenseitig ausschließender Eigenschaftsverläufe.

Die kontrollierte experimentelle Umsetzung verschränkter Geschichten ist eine heikle Angelegenheit, da sie die Sammlung partieller Informationen über Quantonen erfordert. Herkömmliche Quantenmessungen erfassen typischerweise alle Informationen auf einmal – zum Beispiel die Bestimmung einer exakten Form oder einer präzisen Farbe –, anstatt Teilinformationen mehrmals zu erhalten. Aber es ist machbar, wenn auch mit extremen technischen Schwierigkeiten. Auf diese Weise können wir der Erweiterung des Konzepts der „vielen Welten“ in der Quantentheorie eine gewisse mathematische und experimentelle Bedeutung zuweisen und ihre Realität belegen.

Quantenverschränkung

Quantenverschränkung Verschränkung ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem der Quantenzustand zweier oder mehrerer Objekte im Verhältnis zueinander beschrieben werden muss, auch wenn die einzelnen Objekte räumlich getrennt sind. Dadurch entstehen Korrelationen zwischen den beobachteten physikalischen Eigenschaften von Objekten. Beispielsweise ist es möglich, zwei Teilchen in einem einzigen Quantenzustand so zu präparieren, dass, wenn ein Teilchen in einem Spin-Up-Zustand beobachtet wird, das andere Teilchen einen Spin-Down-Zustand aufweist und umgekehrt, und dies trotz der Tatsache dass die Quantenmechanik vorhersagen würde, dass es unmöglich ist, welche Richtungen jedes Mal tatsächlich erhalten werden. Mit anderen Worten: Es scheint, dass Messungen, die an einem System durchgeführt werden, unmittelbare Auswirkungen auf die damit verbundenen Personen haben. Allerdings kann das, was im klassischen Sinne unter Information zu verstehen ist, immer noch nicht durch Verschränkung schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden.
Früher wurde der ursprüngliche Begriff „Verschränkung“ im umgekehrten Sinne übersetzt – als Verschränkung, aber die Bedeutung des Wortes besteht darin, eine Verbindung auch nach der komplexen Biographie eines Quantenteilchens aufrechtzuerhalten. Wenn es also eine Verbindung zwischen zwei Teilchen in einem Gewirr eines physikalischen Systems gab, war es durch „Ziehen“ eines Teilchens möglich, das andere zu bestimmen.

Quantenverschränkung ist die Grundlage zukünftiger Technologien wie dem Quantencomputer und der Quantenkryptographie und wurde auch in Experimenten zur Quantenteleportation eingesetzt. In theoretischer und philosophischer Hinsicht stellt dieses Phänomen eine der revolutionärsten Eigenschaften der Quantentheorie dar, da ersichtlich ist, dass die von der Quantenmechanik vorhergesagten Korrelationen völlig unvereinbar sind mit den Vorstellungen von der scheinbar offensichtlichen Lokalität der realen Welt, in der sich Informationen befinden Informationen über den Zustand des Systems können nur über seine unmittelbare Umgebung übermittelt werden. Unterschiedliche Ansichten darüber, was tatsächlich während des Prozesses der quantenmechanischen Verschränkung geschieht, führen zu unterschiedlichen Interpretationen der Quantenmechanik.

Hintergrund

1935 formulierten Einstein, Podolsky und Rosen das berühmte Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon, das zeigte, dass die Quantenmechanik aufgrund der Konnektivität zu einer nichtlokalen Theorie wird. Einstein machte sich bekanntermaßen über Kohärenz lustig und nannte sie „einen Albtraum der Fernwirkung“. Natürlich widerlegte die nicht-lokale Konnektivität das TO-Postulat über die begrenzende Lichtgeschwindigkeit (Signalübertragung).

Andererseits hat die Quantenmechanik eine hervorragende Erfolgsbilanz bei der Vorhersage experimenteller Ergebnisse, und tatsächlich wurden sogar starke Korrelationen aufgrund des Phänomens der Verschränkung beobachtet. Es gibt eine Möglichkeit, die Quantenverschränkung erfolgreich zu erklären – den Ansatz der „Hidden-Parameter-Theorie“, bei dem bestimmte, aber unbekannte mikroskopische Parameter für die Korrelationen verantwortlich sind. Allerdings zeigte J. S. Bell 1964, dass es immer noch unmöglich wäre, auf diese Weise eine „gute“ lokale Theorie zu konstruieren, d. h. die von der Quantenmechanik vorhergesagte Verschränkung kann experimentell von den Ergebnissen einer breiten Klasse von Theorien unterschieden werden lokale versteckte Parameter. Die Ergebnisse nachfolgender Experimente lieferten eine verblüffende Bestätigung der Quantenmechanik. Einige Überprüfungen zeigen, dass es bei diesen Experimenten eine Reihe von Engpässen gibt, es wird jedoch allgemein angenommen, dass diese nicht signifikant sind.

Konnektivität führt zu einer interessanten Beziehung zum Relativitätsprinzip, das besagt, dass Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von Ort zu Ort gelangen können. Obwohl zwei Systeme weit voneinander entfernt und miteinander verflochten sein können, ist es unmöglich, über ihre Verbindung nützliche Informationen zu übertragen, sodass die Kausalität durch die Verschränkung nicht verletzt wird. Dies geschieht aus zwei Gründen:
1. Die Ergebnisse von Messungen in der Quantenmechanik sind grundsätzlich probabilistischer Natur;
2. Das Quantenzustandsklonungstheorem verbietet die statistische Prüfung verschränkter Zustände.

Gründe für den Einfluss von Partikeln

In unserer Welt gibt es spezielle Zustände mehrerer Quantenteilchen – verschränkte Zustände, in denen Quantenkorrelationen beobachtet werden (im Allgemeinen ist Korrelation die Beziehung zwischen Ereignissen oberhalb der Ebene zufälliger Zufälle). Diese Zusammenhänge können experimentell nachgewiesen werden, was vor über zwanzig Jahren erstmals durchgeführt wurde und heute routinemäßig in verschiedenen Experimenten eingesetzt wird. In der klassischen Welt (also der Nicht-Quanten-Welt) gibt es zwei Arten von Korrelationen – wenn ein Ereignis ein anderes verursacht, oder wenn beide eine gemeinsame Ursache haben. In der Quantentheorie entsteht eine dritte Art von Korrelation, die mit den nichtlokalen Eigenschaften verschränkter Zustände mehrerer Teilchen verbunden ist. Diese dritte Art von Korrelation ist mit bekannten Alltagsanalogien schwer vorstellbar. Oder sind diese Quantenkorrelationen vielleicht das Ergebnis einer neuen, bisher unbekannten Wechselwirkung, dank der sich verschränkte Teilchen (und nur sie!) gegenseitig beeinflussen?

Es lohnt sich sofort, die „Abnormalität“ einer solchen hypothetischen Interaktion hervorzuheben. Quantenkorrelationen werden auch dann beobachtet, wenn der Nachweis zweier weit voneinander entfernter Teilchen gleichzeitig erfolgt (innerhalb der Grenzen des experimentellen Fehlers). Das heißt, wenn eine solche Wechselwirkung stattfindet, dann sollte sie sich im Labor-Referenzrahmen extrem schnell mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten. Und daraus folgt zwangsläufig, dass diese Interaktion in anderen Bezugssystemen im Allgemeinen augenblicklich erfolgt und sogar von der Zukunft in die Vergangenheit wirkt (allerdings ohne das Kausalitätsprinzip zu verletzen).

Die Essenz des Experiments

Geometrie des Experiments. In Genf wurden Paare verschränkter Photonen erzeugt, die dann über gleich lange Glasfaserkabel (rot markiert) zu zwei Empfängern (gekennzeichnet mit den Buchstaben APD) geschickt wurden, die 18 km voneinander entfernt waren. Bild aus dem besprochenen Nature-Artikel

Die Idee des Experiments ist folgende: Wir erzeugen zwei verschränkte Photonen und schicken sie zu zwei möglichst weit voneinander entfernten Detektoren (im beschriebenen Experiment betrug der Abstand zwischen den beiden Detektoren 18 km). In diesem Fall werden wir die Wege der Photonen zu den Detektoren möglichst identisch gestalten, damit die Zeitpunkte ihrer Detektion möglichst nahe beieinander liegen. In dieser Arbeit fielen die Erfassungszeitpunkte mit einer Genauigkeit von etwa 0,3 Nanosekunden zusammen. Unter diesen Bedingungen wurden weiterhin Quantenkorrelationen beobachtet. Das heißt, wenn wir davon ausgehen, dass sie aufgrund der oben beschriebenen Wechselwirkung „funktionieren“, dann sollte ihre Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit um das Hunderttausendfache übersteigen.
Ein solches Experiment wurde tatsächlich bereits zuvor von derselben Gruppe durchgeführt. Das einzige Neue an dieser Arbeit ist, dass das Experiment lange dauerte. Quantenkorrelationen wurden kontinuierlich beobachtet und verschwanden zu keiner Tageszeit.
Warum ist es wichtig? Wenn eine hypothetische Interaktion von einem Medium getragen wird, dann verfügt dieses Medium über einen eigenen Bezugsrahmen. Aufgrund der Erdrotation bewegt sich das Laborbezugssystem relativ zu diesem Bezugssystem mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass der Zeitabstand zwischen zwei Detektionsereignissen zweier Photonen für dieses Medium je nach Tageszeit immer unterschiedlich sein wird. Insbesondere wird es einen Moment geben, in dem diese beiden Ereignisse für diese Umgebung gleichzeitig erscheinen. (Hier wird übrigens die Tatsache aus der Relativitätstheorie genutzt, dass zwei gleichzeitige Ereignisse in allen Inertialbezugssystemen gleichzeitig auftreten, die sich senkrecht zu der sie verbindenden Linie bewegen.)

Würden aufgrund der oben beschriebenen hypothetischen Wechselwirkung Quantenkorrelationen durchgeführt und wäre die Geschwindigkeit dieser Wechselwirkung endlich (sogar beliebig groß), dann würden in diesem Moment die Korrelationen verschwinden. Daher würde eine kontinuierliche Beobachtung der Korrelationen über den Tag hinweg diese Möglichkeit vollständig ausschließen. Und die Wiederholung eines solchen Experiments zu verschiedenen Zeiten im Jahr würde diese Hypothese selbst bei unendlich schneller Interaktion in seinem eigenen dedizierten Referenzrahmen schließen.

Leider konnte dies aufgrund der Unvollkommenheit des Experiments nicht erreicht werden. In diesem Experiment dauert es mehrere Minuten Signalakkumulation, um sagen zu können, dass Korrelationen tatsächlich beobachtet werden. Das Verschwinden von Korrelationen, beispielsweise für 1 Sekunde, konnte dieses Experiment nicht bemerken. Aus diesem Grund konnten die Autoren die hypothetische Wechselwirkung nicht vollständig ausschließen, sondern erhielten lediglich eine Begrenzung der Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung in ihrem gewählten Referenzrahmen, was natürlich den Wert des erhaltenen Ergebnisses erheblich verringert.

Vielleicht...?

Der Leser könnte sich fragen: Wenn die oben beschriebene hypothetische Möglichkeit dennoch realisiert wird, das Experiment sie aber aufgrund ihrer Unvollkommenheit einfach übersehen hat, bedeutet das dann, dass die Relativitätstheorie falsch ist? Könnte dieser Effekt zur überluminalen Informationsübertragung oder gar zur Bewegung im Raum genutzt werden?

Nein. Die oben beschriebene hypothetische Wechselwirkung dient einem einzigen Zweck – dies sind die „Zahnräder“, die dafür sorgen, dass Quantenkorrelationen „funktionieren“. Es ist jedoch bereits bewiesen, dass es mithilfe von Quantenkorrelationen nicht möglich ist, Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen. Unabhängig vom Mechanismus der Quantenkorrelationen kann sie daher nicht gegen die Relativitätstheorie verstoßen.
© Igor Ivanov

Siehe Torsionsfelder.
Die Grundlagen der Feinstofflichen Welt sind physikalische Vakuum- und Torsionsfelder. 4.

Quantenverschränkung.

Es gab viele populäre Artikel über Quantenverschränkung. Experimente mit Quantenverschränkung sind sehr beeindruckend, wurden aber noch nicht prämiert. Warum sind solche Experimente für den Durchschnittsmenschen interessant und für Wissenschaftler nicht von Interesse? In beliebten Artikeln wird über die erstaunlichen Eigenschaften von Paaren verschränkter Teilchen gesprochen – der Aufprall auf eines führt zu einer sofortigen Zustandsänderung des zweiten. Und was sich hinter dem Begriff „Quantenteleportation“ verbirgt, von dem bereits gesagt wurde, dass er mit Überlichtgeschwindigkeit erfolgt. Betrachten wir das alles aus der Sicht der normalen Quantenmechanik.

Was kommt aus der Quantenmechanik?

Quantenteilchen können nach dem klassischen Lehrbuch von Landau und Lifshitz zwei Arten von Zuständen annehmen – rein und gemischt. Wenn ein Teilchen nicht mit anderen Quantenteilchen wechselwirkt, wird es durch eine Wellenfunktion beschrieben, die nur von seinen Koordinaten oder Impulsen abhängt – diesen Zustand nennt man rein. In diesem Fall gehorcht die Wellenfunktion der Schrödinger-Gleichung. Eine andere Möglichkeit ist möglich – das Teilchen interagiert mit anderen Quantenteilchen. In diesem Fall bezieht sich die Wellenfunktion auf das gesamte System wechselwirkender Teilchen und hängt von allen ihren dynamischen Variablen ab. Wenn uns nur ein Teilchen interessiert, dann kann sein Zustand, wie Landau vor 90 Jahren gezeigt hat, durch einen Matrix- oder Dichteoperator beschrieben werden. Die Dichtematrix folgt einer Gleichung ähnlich der Schrödinger-Gleichung

Wo ist die Dichtematrix, H ist der Hamilton-Operator und die Klammern bezeichnen den Kommutator.

Landau brachte ihn heraus. Alle physikalischen Größen, die sich auf ein bestimmtes Teilchen beziehen, können durch die Dichtematrix ausgedrückt werden. Dieser Zustand wird als gemischt bezeichnet. Wenn wir ein System wechselwirkender Teilchen haben, dann befindet sich jedes Teilchen in einem gemischten Zustand. Streuen die Teilchen über weite Strecken und verschwindet die Wechselwirkung, bleibt ihr Zustand weiterhin gemischt. Befindet sich jedes von mehreren Teilchen in einem reinen Zustand, dann ist die Wellenfunktion eines solchen Systems das Produkt der Wellenfunktionen jedes der Teilchen (sofern die Teilchen unterschiedlich sind. Für identische Teilchen, Bosonen oder Fermionen ist dies erforderlich Machen Sie eine symmetrische oder antisymmetrische Kombination, aber dazu später mehr. Die Identität von Teilchen, Fermionen und Bosonen ist bereits eine relativistische Quantentheorie.

Ein verschränkter Zustand eines Teilchenpaares ist ein Zustand, in dem eine konstante Korrelation zwischen physikalischen Größen verschiedener Teilchen besteht. Ein einfaches und häufigstes Beispiel ist, dass eine bestimmte physikalische Gesamtgröße erhalten bleibt, beispielsweise der Gesamtspin oder der Drehimpuls eines Paares. In diesem Fall befindet sich ein Partikelpaar in einem reinen Zustand, jedes der Partikel befindet sich jedoch in einem gemischten Zustand. Es mag den Anschein haben, dass eine Änderung des Zustands eines Teilchens sich unmittelbar auf den Zustand eines anderen Teilchens auswirkt. Auch wenn sie weit verstreut sind und nicht interagieren, wird dies in populären Artikeln zum Ausdruck gebracht. Dieses Phänomen wurde bereits als Quantenteleportation bezeichnet. Einige ungebildete Journalisten behaupten sogar, dass die Veränderung augenblicklich erfolgt, sich also schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Betrachten wir dies aus der Sicht der Quantenmechanik: Erstens verstößt jeder Aufprall oder jede Messung, die den Spin oder Drehimpuls nur eines Teilchens ändert, sofort gegen das Gesetz der Erhaltung der Gesamteigenschaft. Der entsprechende Operator kann nicht mit vollem Spin oder vollem Drehimpuls pendeln. Dadurch wird die anfängliche Verschränkung des Zustands eines Teilchenpaares gestört. Der Spin bzw. Impuls des zweiten Teilchens lässt sich nicht mehr eindeutig dem des ersten Teilchens zuordnen. Wir können dieses Problem aus einem anderen Blickwinkel betrachten. Nachdem die Wechselwirkung zwischen den Partikeln verschwunden ist, wird die Entwicklung der Dichtematrix jedes Partikels durch eine eigene Gleichung beschrieben, in der die dynamischen Variablen des anderen Partikels nicht enthalten sind. Daher wird der Aufprall auf ein Partikel die Dichtematrix des anderen nicht verändern.

Es gibt sogar den Satz von Eberhard, der besagt, dass die gegenseitige Beeinflussung zweier Teilchen durch Messungen nicht erfasst werden kann. Es gebe ein Quantensystem, das durch eine Dichtematrix beschrieben wird. Und dieses System bestehe aus zwei Subsystemen A und B. Der Satz von Eberhard besagt, dass keine Messung von Observablen, die nur mit Subsystem A verbunden sind, keinen Einfluss auf das Ergebnis der Messung von Observablen hat, die nur mit Subsystem B verbunden sind. Allerdings ist der Beweis des Satzes nutzt die Wellenreduktionshypothese, eine Funktion, die weder theoretisch noch experimentell bewiesen wurde. Doch alle diese Argumente wurden im Rahmen der nichtrelativistischen Quantenmechanik vorgebracht und beziehen sich auf unterschiedliche, nichtidentische Teilchen.

Diese Argumente funktionieren in der relativistischen Theorie nicht, wenn es sich um ein Paar identischer Teilchen handelt. Ich möchte Sie noch einmal daran erinnern, dass die Identität oder Ununterscheidbarkeit von Teilchen aus der relativistischen Quantenmechanik stammt, in der die Anzahl der Teilchen nicht erhalten bleibt. Für langsame Teilchen können wir jedoch den einfacheren Apparat der nichtrelativistischen Quantenmechanik verwenden, indem wir einfach die Ununterscheidbarkeit der Teilchen berücksichtigen. Dann muss die Wellenfunktion des Paares symmetrisch (für Bosonen) oder antisymmetrisch (für Fermionen) in Bezug auf die Permutation der Teilchen sein. Eine solche Anforderung entsteht in der relativistischen Theorie unabhängig von den Teilchengeschwindigkeiten. Es ist diese Anforderung, die zu weitreichenden Korrelationen zwischen Paaren identischer Teilchen führt. Grundsätzlich können ein Proton und ein Elektron auch in einem verschränkten Zustand vorliegen. Wenn sie jedoch um mehrere zehn Angström voneinander abweichen, wird dieser Zustand durch Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern und anderen Teilchen zerstört. Wie Experimente zeigen, wirkt die Austauschwechselwirkung (wie dieses Phänomen genannt wird) auf makroskopische Distanzen. Ein Teilchenpaar bleibt, selbst wenn es mehrere Meter voneinander entfernt ist, nicht zu unterscheiden. Wenn Sie eine Messung durchführen, wissen Sie nicht genau, zu welchem Partikel der Messwert gehört. Sie nehmen Messungen an mehreren Partikeln gleichzeitig vor. Daher wurden alle spektakulären Experimente mit genau denselben Teilchen durchgeführt – Elektronen und Photonen. Streng genommen handelt es sich hierbei nicht gerade um den verschränkten Zustand, der im Rahmen der nichtrelativistischen Quantenmechanik betrachtet wird, sondern um etwas Ähnliches.

Betrachten wir den einfachsten Fall – ein Paar identischer, nicht wechselwirkender Teilchen. Wenn die Geschwindigkeiten klein sind, können wir die nichtrelativistische Quantenmechanik verwenden und dabei die Symmetrie der Wellenfunktion in Bezug auf die Permutation von Teilchen berücksichtigen. Sei die Wellenfunktion des ersten Teilchens , des zweiten Teilchens - , wobei und die dynamischen Variablen des ersten und zweiten Teilchens sind, im einfachsten Fall nur Koordinaten. Dann die Wellenfunktion des Paares

Die Zeichen + und – beziehen sich auf Bosonen und Fermionen. Nehmen wir an, dass die Teilchen weit voneinander entfernt sind. Dann sind sie in den entfernten Regionen 1 bzw. 2 lokalisiert, das heißt außerhalb dieser Regionen sind sie klein. Versuchen wir, den Durchschnittswert einer Variablen des ersten Teilchens zu berechnen, zum Beispiel der Koordinaten. Der Einfachheit halber können wir uns vorstellen, dass die Wellenfunktionen nur Koordinaten umfassen. Es stellt sich heraus, dass der Durchschnittswert der Koordinaten von Partikel 1 ZWISCHEN den Regionen 1 und 2 liegt und mit dem Durchschnittswert für Partikel 2 übereinstimmt. Das ist eigentlich natürlich – die Partikel sind nicht unterscheidbar, wir können nicht wissen, welches Partikel die gemessenen Koordinaten hat . Im Allgemeinen sind alle Durchschnittswerte für die Partikel 1 und 2 gleich. Das bedeutet, dass wir durch Verschieben des Lokalisierungsbereichs von Partikel 1 (z. B. ist das Partikel innerhalb eines Defekts im Kristallgitter lokalisiert und wir bewegen den gesamten Kristall) Einfluss auf Partikel 2 nehmen, obwohl die Partikel nicht im üblichen Sinne interagieren - zum Beispiel durch ein elektromagnetisches Feld. Dies ist ein einfaches Beispiel für relativistische Verschränkung.

Aufgrund dieser Korrelationen zwischen den beiden Teilchen findet keine sofortige Informationsübertragung statt. Der Apparat der relativistischen Quantentheorie war ursprünglich so konstruiert, dass Ereignisse, die sich in der Raumzeit auf gegenüberliegenden Seiten des Lichtkegels befinden, sich nicht gegenseitig beeinflussen können. Einfach ausgedrückt: Kein Signal, kein Einfluss oder keine Störung kann sich schneller als Licht ausbreiten. Beide Teilchen sind eigentlich Zustände desselben Feldes, zum Beispiel Elektron-Positron. Durch die Beeinflussung des Feldes an einem Punkt (Partikel 1) erzeugen wir eine Störung, die sich wie Wellen auf dem Wasser ausbreitet. In der nichtrelativistischen Quantenmechanik gilt die Lichtgeschwindigkeit als unendlich groß, was die Illusion einer augenblicklichen Änderung hervorruft.

Die Situation, wenn durch große Entfernungen getrennte Teilchen paarweise gebunden bleiben, erscheint aufgrund klassischer Vorstellungen über Teilchen paradox. Wir müssen bedenken, dass es nicht wirklich Teilchen sind, sondern Felder. Was wir als Teilchen betrachten, sind einfach Zustände dieser Felder. Die klassische Teilchenvorstellung ist in der Mikrowelt völlig ungeeignet. Es stellen sich sofort Fragen zu Größe, Form, Material und Struktur von Elementarteilchen. Tatsächlich entstehen auch bei einem Teilchen Situationen, die für das klassische Denken paradox sind. Beispielsweise fliegt im Stern-Gerlach-Experiment ein Wasserstoffatom durch ein ungleichmäßiges Magnetfeld, das senkrecht zur Geschwindigkeit gerichtet ist. Der Kernspin kann aufgrund der Kleinheit des Kernmagnetons vernachlässigt werden, auch wenn der Elektronenspin zunächst entlang der Geschwindigkeit gerichtet ist.

Die Entwicklung der Wellenfunktion eines Atoms ist nicht schwer zu berechnen. Das ursprünglich lokalisierte Wellenpaket teilt sich in zwei identische auf, die symmetrisch in einem Winkel zur ursprünglichen Richtung fliegen. Das heißt, ein Atom, ein schweres Teilchen, das normalerweise als klassisch angesehen wird und eine klassische Flugbahn hat, wird in zwei Wellenpakete aufgespalten, die über recht makroskopische Entfernungen auseinanderfliegen können. Gleichzeitig möchte ich anmerken, dass aus der Berechnung folgt, dass selbst das ideale Stern-Gerlach-Experiment nicht in der Lage ist, den Spin eines Teilchens zu messen.

Bindet der Detektor beispielsweise ein Wasserstoffatom chemisch, werden die „Hälften“ – zwei gestreute Wellenpakete – zu einem zusammengefasst. Wie es zu einer solchen Lokalisierung eines verschmierten Partikels kommt, ist eine separate Theorie, die ich nicht verstehe. Interessierte finden umfangreiche Literatur zu diesem Thema.

Abschluss

Es stellt sich die Frage: Was bedeuten zahlreiche Experimente, die Korrelationen zwischen Teilchen in großen Entfernungen belegen? Neben der Bestätigung der Quantenmechanik, an der kein normaler Physiker lange gezweifelt hat, ist dies eine spektakuläre Demonstration, die die Öffentlichkeit und Amateurbeamte beeindruckt, die Gelder für die Wissenschaft bereitstellen (zum Beispiel wird die Entwicklung von Quantenkommunikationsleitungen von der Gazprombank gesponsert). Für die Physik bringen diese teuren Demonstrationen nichts, obwohl sie die Entwicklung experimenteller Techniken ermöglichen.

Literatur
1. Landau, L. D., Lifshits, E. M. Quantenmechanik (nicht-relativistische Theorie). - 3. Auflage, überarbeitet und erweitert. - M.: Nauka, 1974. - 752 S. - („Theoretische Physik“, Band III).
2. Eberhard, P.H., „Theorem von Bell und die verschiedenen Konzepte der Nichtlokalität“, Nuovo Cimento 46B, 392-419 (1978)

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Was kommt aus der Quantenmechanik?

Wo ist die Dichtematrix, H ist der Hamilton-Operator und die Klammern bezeichnen den Kommutator.

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In den letzten anderthalb Jahrhunderten gab es einen bedeutenden Sprung in der menschlichen Entwicklung, insbesondere auf dem Gebiet der Grundlagenphysik. Bevor Wissenschaftler Zeit hatten, sich mit der Physik des Atoms zu befassen, wurde bereits mit dem Bau von Kernkraftwerken begonnen; Die von Einstein durchgeführte wissenschaftliche Revolution führte uns bald zur vollständigen Globalisierung mit mehr als tausend Satelliten in der Erdumlaufbahn. Es gibt viele Beispiele, aber es gibt immer noch viele ungelöste Probleme und ungeklärte Phänomene. Eines dieser Phänomene verbirgt sich im Mikrokosmos der Quantenprozesse, nämlich die Quantenverschränkung. Was es ist, warum es wichtig ist und welche Forschungen durchgeführt werden, um dieses Problem zu lösen – wir werden es in diesem Artikel besprechen.

Definieren wir zunächst das Konzept der „Quantenverschränkung“. Alle Informationen über ein Objekt in der Mikrowelt werden durch einen bestimmten abstrakten (mathematischen) Zustand beschrieben, zu dem beispielsweise die Wahrscheinlichkeit der Entdeckung eines Teilchens in einem bestimmten Volumen, der Impuls des Teilchens, seine Ladung oder sein Spin usw. gehören. Ein solcher „Zustand“ kann durch physikalische Gleichungen beschrieben werden, die trotz ihrer Abstraktion und Komplexität dennoch in der Lage sind, die Ergebnisse von Experimenten vorherzusagen.

Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem die Quantenzustände zweier oder mehrerer Teilchen miteinander verbunden sind. Das heißt, durch die Bestimmung des Zustands eines Teilchens ist es möglich, einige Eigenschaften eines anderen Teilchens vorherzusagen. Es ist bemerkenswert, dass eine Änderung eines Parameters eines Partikels unabhängig von der Entfernung zu einer Änderung eines Parameters eines anderen Partikels führt.

Widerspruch zum „Lokalitätsprinzip“

Wie aus Einsteins Werken bekannt ist, gibt es in der Natur das sogenannte „Lokalitätsprinzip“, wonach jegliche Interaktion zwischen Körpern nicht sofort erfolgen kann, sondern über einen Vermittler übertragen wird. Die Übertragungsgeschwindigkeit dieser Wechselwirkung sollte die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht überschreiten. Gleichzeitig kann, wie bereits erwähnt, eine Quantenverschränkung über weite Entfernungen mit „augenblicklicher Informationsübertragung“ beobachtet werden, was einen direkten Verstoß gegen das Lokalitätsprinzip darstellt.

Einstein, Niels Bohr und Quantenmechanik

1927 fand in Brüssel der Fünfte Solvay-Kongress statt – eine internationale Konferenz zu aktuellen Problemen auf dem Gebiet der Physik und Chemie. Eine der Diskussionen, die stattfanden, drehte sich um das Thema der sogenannten Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik.

Diese Theorie wurde von Niels Bohr und Werner Heisenberg entwickelt und beschreibt die probabilistische Natur der Wellenfunktion. Trotz der Lösung einiger der damals bestehenden Probleme der Physik, beispielsweise derjenigen im Zusammenhang mit dem Welle-Teilchen-Dualismus, warf diese Theorie auch eine Reihe von Fragen auf. Erstens widerspricht die bloße Vorstellung eines Objekts mit einem bekannten Impuls, das keine bestimmte Koordinate, sondern nur die Entdeckungswahrscheinlichkeit an einem bestimmten Punkt hat, unserer Lebenserfahrung in der Makrowelt. Darüber hinaus implizierte diese Theorie, dass die Position des Partikels bis zur Messung ungewiss war.

Albert Einstein konnte diese Interpretation nicht akzeptieren, was zu seinem berühmten Satz „Gott würfelt nicht“ führte, auf den Niels Bohr antwortete: „Albert, sag Gott nicht, was er tun soll.“ Damit begann ein langer Streit zwischen Einstein und Bohr.

Einsteins Antwort kam 1935, als er zusammen mit Boris Podolsky und Nathan Rosen einen Artikel mit dem Titel „Kann die quantenmechanische Beschreibung der physikalischen Realität als vollständig angesehen werden?“ veröffentlichte. In diesem Artikel wurde ein Gedankenexperiment namens „Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon“ (EPR-Paradoxon) vorgestellt.

Ziel des Experiments war es, eine so grundlegende Aussage der Quantenmechanik wie die Heisenbergsche Unschärferelation zu widerlegen, die besagt, dass es unmöglich ist, zwei Eigenschaften eines Teilchens, oft Impuls und Ort, gleichzeitig zu messen.

Das EPR-Paradoxon geht so. Durch den Zerfall eines dritten Teilchens sollen zwei gleichartige Teilchen entstehen. Dann ist die Summe ihrer Impulse gemäß dem Impulserhaltungssatz gleich dem Impuls des ursprünglichen Teilchens. Als nächstes können Sie den Impuls des ersten Teilchens berechnen, indem Sie den Impuls des ursprünglichen Teilchens kennen (den die Experimentatoren im Voraus vorbereiten) und den Impuls des zweiten Teilchens messen. Das heißt, als Ergebnis der Messung haben wir eine Eigenschaft des ersten Teilchens wie den Impuls erhalten. Jetzt messen wir die Koordinate des zweiten Teilchens und als Ergebnis erhalten wir zwei gemessene Eigenschaften eines Teilchens, was direkt der Heisenbergschen Unschärferelation widerspricht.

Allerdings gibt es in der Quantenmechanik selbst Möglichkeiten, dieses Paradoxon aufzulösen. Nach den Gesetzen der Quantenwelt führt jede Messung zu einer Veränderung der Eigenschaften des gemessenen Körpers. Dann kann vor der Messung der Koordinaten des zweiten Teilchens tatsächlich ein gewisser Impuls stattfinden. Aber zum Zeitpunkt der Messung der Koordinate ändert sich der Zustand des Teilchens und es kann nicht gesagt werden, dass diese Eigenschaften gleichzeitig gemessen wurden.

Aufgrund der Welle-Teilchen-Dualität haben diese austretenden Teilchen jedoch in einem bestimmten Abstand Zustände, die durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden. Daraus folgt, dass die Messung (und damit Änderung) des Impulses eines Teilchens auch zur Messung des Impulses eines anderen Teilchens führt. Darüber hinaus ist es nicht verboten, den Abstand zwischen diesen Partikeln zu vergrößern, was wiederum dem Lokalitätsprinzip widerspricht.

Satz von Bell

Für einen Menschen, der während seiner gesamten Geschichte auf der Skala des Makrokosmos gelebt hat, ist es schwierig, die Gesetze der Quantenmechanik zu verstehen, die oft im Widerspruch zu Beobachtungen im Makrokosmos stehen. So entstand die Theorie der verborgenen Parameter, nach der die zuvor erwähnte weitreichende Wechselwirkung zwischen Teilchen durch das Vorhandensein bestimmter zunächst verborgener Parameter der Teilchen verursacht werden kann. Einfach ausgedrückt führt die Messung eines Teilchens nicht zu einer Zustandsänderung eines anderen Teilchens, und beide Zustände entstanden zusammen mit diesen Teilchen im Moment des Zerfalls des ursprünglichen Teilchens. Eine solche intuitive Erklärung würde den menschlichen Geist befriedigen.

Im Jahr 1964 formulierte John Stuart Bell seine Ungleichungen, später Theorem genannt, die es ermöglichen, ein Experiment durchzuführen, um genau zu bestimmen, ob bestimmte versteckte Parameter vorhanden sind. Das heißt, wenn die Teilchen vor ihrer Trennung verborgene Parameter hätten, wäre eine Ungleichung erfüllt, und wenn ihre Zustände vor der Messung eines der Teilchen zusammenhängend und unbestimmt wären, würde eine andere Bell-Ungleichung gelten.

Im Jahr 1972 führten Friedman und Clauser ein ähnliches Experiment durch, dessen Ergebnisse auf die Existenz von Unsicherheiten in den Zuständen vor der Messung hinwiesen. Allerdings wurde dieses Phänomen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft als eine Art Peinlichkeit empfunden, die früher oder später gelöst werden würde. 1981 wurde der physikalischen Theorie jedoch ein zweiter Schlag versetzt – das Experiment von Allen Aspe. Dieses sehr beliebte Experiment wurde zum neuesten Argument für die Existenz der Quantenverschränkung und der sogenannten „spukhaften Fernwirkung“. Und obwohl dieses Problem nicht endgültig gelöst werden konnte, waren die Ergebnisse so überzeugend, dass Wissenschaftler diese Besonderheit der Quantenwelt akzeptieren mussten.

Quantenverschränkungsforschung

Warum wird dieses altbekannte Thema erneut thematisiert? Tatsache ist, dass die Entwicklungen auf dem Gebiet der Quantencomputer, die auf der Grundlage der Quantenverschränkung arbeiten, in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht haben. Daher gab Google im März 2018 die erfolgreiche Entwicklung eines 72-Qubit-Quantenprozessors namens Bristlecone bekannt, der „Quantenüberlegenheit“ erreicht. Das heißt, es ist in der Lage, Aufgaben auszuführen, die für herkömmliche Computer nicht zugänglich sind.

Ebenfalls im Sommer 2018 wurde in der Zeitschrift Nature eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht, in der es um die Entwicklung des ersten Quantenprozessors mit Langzeitgedächtnis geht. Zuvor, im Jahr 2015, legte dieselbe Forschungsgruppe der Technischen Universität Delft zusammen mit dem Leiter der QUTech-Organisation, Ronald Hanson, noch überzeugendere Beweise für die Existenz der Quantenverschränkung vor.

Über das Experiment an der TU Delft

Das Experiment, dessen Ergebnisse 2015 veröffentlicht wurden, verlief wie folgt. Für das Experiment wurden Diamantplatten mit einem Gitter aus Hohlräumen verwendet, die mit Stickstoff gefüllt waren. Diese Technologie wurde 2010 von Forschern der University of California, Santa Barbara und des Lawrence Berkeley National Laboratory entwickelt. Zwei solcher Diamantkristalle wurden in einem Abstand von 1,3 km voneinander platziert. Durch die Bestrahlung beider Platten mit Mikrowellenstrahlung und Lasern gingen die Elektronen dieser „Diamantfallen“ in einen angeregten Zustand über und emittierten ein Photonenpaar, das miteinander wechselwirkte. Als Folge dieser Wechselwirkung kam es zu einer Quantenverschränkung zwischen den Elektronen, die diese Photonen emittierten.

Um dieses Phänomen zu erkennen, haben Wissenschaftler fast gleichzeitig die Spins von Elektronen verschiedener Platten gemessen, was einen Informationsaustausch zwischen ihnen mit Lichtgeschwindigkeit nicht ermöglichen würde. Wie sich jedoch herausstellte, waren die Spins der beiden Elektronen synchronisiert, was auf eine Informationsübertragung hinweist, die es einem ermöglicht, die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Natürlich ist das Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von Elektronen viel komplizierter und erfordert viele Berechnungen und Vergleiche ihrer Wellenfunktionen. Trotz aller Schwierigkeiten des Experiments wurde es innerhalb von 18 Tagen 245 Mal durchgeführt und war so geplant, dass alle möglichen Fehler sowohl seitens der Messgeräte als auch seitens der Umgebung vermieden wurden.

Ein zukünftiges großes Experiment am Massachusetts Institute of Technology in den nächsten drei Jahren wird dieses Thema endgültig abschließen. Das Forschungsteam plant, elektromagnetische Strahlung von Pulsaren sowie Licht entfernter Galaxien zu sammeln. Ein solches Experiment vermeidet jegliche Verbindung zwischen Messgeräten und Signalquellen und eliminiert damit die letzte Möglichkeit versteckter Parameter.

Die Entwicklungen von QUTech gingen weit über die theoretische Physik hinaus und gingen in Richtung eines Quantencomputers. So entwickelten mehrere wissenschaftliche Gruppen im Jahr 2012 einen Zwei-Qubit-Quantenprozessor auf Basis der oben genannten Kristalle, und im Jahr 2018 wurde ein Artikel veröffentlicht, in dem Forscher den von ihnen entwickelten Quantenprozessor mit Langzeitgedächtnis beschrieben. Das Problem bei der Entwicklung eines solchen Prozessors bestand darin, dass die Verbindungen zwischen Quantenbits („Qubits“) schneller verschwanden, als Wissenschaftler sie entdecken konnten. Ein weiteres Experiment an der Technischen Universität Delft zeigte, dass der neue Prozessor dieses Problem nicht hat.

Das Forschungsteam verwendete die oben genannten Diamantplatten, bei denen ein Stickstoffatom zwischen den Kohlenstoffatomen „versteckt“ war. Der Ort, an dem sich das Stickstoffatom befindet, hat spezifische Eigenschaften, als ob sich in dieser Zelle des Kristallgitters ein Kohlenstoffatom befände, allerdings in einer Art „eingefrorenem“ Zustand. Dieser Ansatz verlängert die Lebensdauer von Diamant-Qubits erheblich (300–500 Millisekunden). Darüber hinaus wurde eine neue Methode entwickelt, um Elektronen an diesen Defektstellen zu „verschränken“.

Diese Technologie ist nicht nur ein Durchbruch auf dem Gebiet der Quantencomputer, sondern bringt uns auch dem Quanteninternet einen Schritt näher. Durch das Zusammenspiel mehrerer einzelner Quantencomputer lässt sich zwischen ihnen ein Netzwerk aufbauen, das durch die Übertragung verschränkter Qubits funktioniert. Der Vorteil liegt in der Geschwindigkeit: Es gebe k Quantencomputer, von denen jeder aus n Qubits bestehe. Um den vollständigen Zustand eines solchen Computers über ein herkömmliches Netzwerk zu übertragen, werden dann 2n Datenbits benötigt, während für ein Quantennetzwerk nur n Qubits erforderlich sind. Die Verflechtung aller Computer im Maßstab eines gesamten Netzwerks führt zu einem Geschwindigkeitsvorteil bei der Informationsübertragung um mehrere Größenordnungen.

Ergebnisse

Trotz der Quantenwelt, die viele Köpfe auf der ganzen Welt begeistert, ist die Quantenverschränkung heute ein allgemein anerkanntes Phänomen, das nicht nur experimentell beobachtet, sondern auch in technologischen Prozessen eingesetzt wird. Eine weitere Anwendung der Quantenverschränkung könnte die Menschheit auf eine völlig andere Entwicklungsstufe bringen, mit Supercomputern und einem unvorstellbar schnellen Internet.