Fragen Sie Ethan: Was ist so beängstigend an der Quantenverschränkung?

Indem wir zwei verschränkte Photonen im vorhandenen System erzeugen und sie dann über eine große Entfernung teilen, können wir Informationen über den Zustand eines von ihnen erhalten, indem wir den Zustand des anderen messen

Die Quantenphysik ist voller Rätsel, die dafür berüchtigt sind, unserer Intuition zu widersprechen. Die Partikel scheinen zu wissen, ob Sie sie betrachten oder nicht, und zeigen unterschiedliche Verhaltensweisen, je nachdem, ob Sie sie beobachten oder nicht, und passieren einen Doppelspalt. Die Messung einer einzelnen Größe, beispielsweise der Position eines Teilchens, erzeugt seine inhärente Unsicherheit in einer komplementären Größe, beispielsweise dem Impuls. Und wenn Sie den Spin in vertikaler Richtung messen, zerstören Sie die Informationen über den Rücken in horizontaler Richtung. Das „erschreckendste“ aller Quantenphänomene ist jedoch die Quantenverschränkung, wenn ein Teilchen sofort zu „wissen“ scheint, ob der mit ihm verwechselte Partner gemessen wurde, selbst wenn dies am anderen Ende des Universums geschehen ist. Diese Woche werden wir uns mit der Frage des Lesers befassen, fasziniert davon, warum dies allgemein als Rätsel angesehen wird.

Aus der Sicht der Photonen legten sie in null Zeit eine Strecke von Null zurück. Was ist daran beängstigend? Bis einer von ihnen gemessen wird, befinden sie sich am selben Ort und zur selben Zeit (wenn Sie ihnen glauben), sodass es nicht als Rätsel bezeichnet werden kann, dass sie ihre Zustände koordinieren.

Vernünftige Argumentation: Zeitdilatation für sich schnell bewegende Partikel bedeutet, dass sie ihre Zustände mit jeder Geschwindigkeit koordinieren können. Aber dieses Rätsel ist nicht so einfach zu lösen.


Schema des dritten Aspe-Experiments zur Überprüfung der Quanten-Nichtlokalität. Verschränkte Photonen von der Quelle werden an zwei Schalter gesendet, die sie zu Polarisationssensoren leiten. Die Schalter wechseln sehr schnell ihren Zustand und ändern die Detektoreinstellungen während des Photonenfluges.

Lassen Sie uns zunächst das Problem der Verstrickung behandeln. Das Experiment wird normalerweise mit Photonen durchgeführt: Sie übertragen ein Lichtquantum durch ein spezielles Material (Streukristall) und teilen es in zwei Photonen auf. Diese Photonen werden in gewissem Sinne verwickelt sein, dh wenn einer einen Spin hat, ist der innere Drehimpuls +1, dann hat der andere -1. Aber welches ist uns unbekannt. Sie können sogar Experimente durchführen, bei denen nach Berücksichtigung einer großen Anzahl von Photonen der Unterschied zwischen
• statistische Ergebnisse bei Spin +1,
• statistische Ergebnisse bei einem Spin von -1,
• und statistische Ergebnisse für den Fall, dass der Spin undefiniert bleibt.

Es ist sehr schwierig, diese Ergebnisse zu visualisieren, aber in der Quantenmechanik gibt es eine wunderbare Analogie: den Durchgang eines Teilchens durch eine doppelte Lücke.


Wenn Elektronen, Photonen oder andere Teilchen durch einen doppelten Spalt geleitet werden, entsteht ein Interferenzmuster. Dies geschieht jedoch nur, wenn Sie nicht überprüfen, durch welche Lücke sie gehen!

Wenn Sie ein Partikel durch einen Doppelspalt führen, dh einen Bildschirm mit zwei schmalen Schlitzen, die sehr nahe beieinander liegen, und es durch sie hindurchgeht, anstatt vom Bildschirm gehalten zu werden, können Sie leicht bestimmen, wo es sich auf der anderen Seite befindet. Wenn Sie viele Partikel einzeln durch einen Doppeltopf schleudern, werden Sie feststellen, dass die Partikel, die durch die Risse gelangen, ein Interferenzmuster bilden. Mit anderen Worten, jedes Teilchen verhält sich nicht so, als wäre es durch die eine oder andere Lücke gegangen; Sie verhält sich so, als würde sie beide Schlitze gleichzeitig passieren, sich wie eine Welle einmischen und sich weiter bewegen.

Dieses Bild, das die seltsame quantenmechanische Natur aller Teilchen des Universums zeigt, erscheint jedoch nur, wenn Sie nicht bestimmen, durch welche Lücke das Teilchen geht.


Wenn Sie bestimmen, durch welche Lücke ein Partikel geht und den Rest des Experiments unverändert lässt, erhalten Sie überhaupt kein Interferenzbild.

Wenn Sie stattdessen ein Partikel messen, während es durch einen der Schlitze läuft - dies kann durch Installieren eines Zählers erfolgen -, erhalten Sie kein Interferenzbild. Sie erhalten eine Reihe von Partikeln, die dem Durchgang durch Steckplatz 1 entsprechen, und eine Reihe von Partikeln für Steckplatz 2.


Das Wellenmuster von Elektronen, die einzeln durch eine doppelte Lücke laufen. Wenn Sie messen, durch welche Lücke ein Elektron gegangen ist, zerstören Sie das Quanteninterferenzbild. Beachten Sie, dass zum Erstellen eines solchen Bildes mehr als ein Elektron erforderlich ist.

Mit anderen Worten, indem Sie eine Messung durchführen, die den vom Partikel gewählten Pfad bestimmt, ändern Sie das Ergebnis dieser Auswahl! Für ein Partikel können Sie nur die Wahrscheinlichkeit bestimmen, durch Spalt 1, Spalt 2 oder durch Interferenz mit sich selbst zu gelangen. Weitere Statistiken sind erforderlich, um den tatsächlichen Status Ihres Experiments zu ermitteln.


Bellquantenmechanischer Test für halb ganzzahlige Spinpartikel

Zurück zu den verwirrenden Photonen. Oder im Allgemeinen zu verwickelten Partikeln. Sie erstellen zwei verschränkte Partikel, in denen Sie die Gesamtmenge ihrer Eigenschaften kennen, aber nicht die Eigenschaften der einzelnen. Das einfachste Beispiel wäre ein Spin - für zwei Photonen ergibt sich entweder (+1 und -1) oder (-1 und +1), für zwei Elektronen - (+ ½ und -½) oder (-½ und + ½) - und Sie Sie wissen nicht, welcher welchen Spin haben wird, bis Sie ihn messen. Anstelle von Lücken können Sie diese auch über einen Polarisator senden. Und sobald Sie einen messen, bestimmen Sie den anderen. Mit anderen Worten, Sie wissen es sofort.


Ein Quantenlöschversuch, bei dem zwei verschränkte Teilchen getrennt und gemessen werden. Keine Wirkung auf eines der Partikel am Ziel wirkt sich auf das andere aus.

"Erschreckend" ist die Tatsache, dass in der Physik nichts anderes sofort passiert. Die höchste Übertragungsgeschwindigkeit eines Signals ist gleich s, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Diese beiden verschränkten Teilchen können jedoch in Meter, Kilometer, astronomische Einheiten oder Lichtjahre unterteilt werden, und die Messung eines dieser Teilchen bestimmt sofort den Zustand des anderen. Es spielt keine Rolle, ob sich verschränkte Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen oder nicht, ob sie Masse haben oder nicht, wie viel Energie sie haben und ob Sie sie voneinander isolieren, damit sie keine Photonen aneinander senden. Es gibt keine Lücken, durch die die Interaktionsgeschwindigkeit in einem Referenzsystem dies irgendwie kompensieren könnte. In den späten 1990er Jahren stellten Experimente mit der Trennung und gleichzeitigen Messung dieser Partikel fest, dass sich Informationen, die zwischen ihnen übertragen werden, 10.000-mal schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit.


Quantenteleportation, die oft mit schneller als Licht verwechselt wird. In der Realität werden Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen.

Das kann aber nicht sein! In der Realität werden keine Informationen übertragen. Es ist unmöglich, ein Partikel an einem Ort zu messen und damit etwas auf ein sehr weit entferntes Partikel zu übertragen. Viele ausgeklügelte Schemata wurden entwickelt, um mithilfe dieser Eigenschaft Informationen schneller als Licht zu übertragen. 1993 haben sie jedoch bewiesen, dass dieser Mechanismus die Übertragung von Informationen nicht zulässt. Dafür gibt es eine einfache Erklärung:

• Wenn Sie messen, wie der Zustand des Partikels ist, den ich habe, kennen Sie den Zustand eines anderen Partikels. Mit diesen Informationen kann jedoch nichts unternommen werden, bis Sie entweder zu einem anderen Partikel gelangen oder es uns erreicht und die Nachricht gesendet werden muss mit Lichtgeschwindigkeit oder langsamer.
• Wenn Sie Ihr vorhandenes Partikel zwingen, einen bestimmten Zustand anzunehmen, ändert dies nichts am Zustand des verschränkten Partikels. Im Gegenteil, es wird die Verschränkung zerstören, so dass Sie nichts über das zweite Teilchen lernen.

[ Ethan hat das Wesentliche des Problems nicht vollständig offenbart. All dies mag Sie nicht überraschen, wenn Sie sich die Analogie mit Handschuhen vorstellen. Jemand hat dir einen Handschuh von einem Paar geschickt, und dein Freund einen anderen. Und wenn Sie Ihr Paket öffnen, erkennen Sie sofort nicht nur, welchen Handschuh Sie links oder rechts erhalten haben, sondern auch, was Ihr Freund erhalten hat. Bei verwickelten Partikeln wird der Zustand der Handschuhe jedoch zunächst nicht bestimmt. Und wir wissen nicht einfach oder wissen nicht, wie wir es bestimmen sollen - es wird tatsächlich zufällig und genau zum Zeitpunkt der Messung eines der „Handschuhe“ bestimmt. Dann nimmt der andere „Handschuh“ sofort den entgegengesetzten Zustand an. Dies nennt Einstein „erschreckende Fernwirkung“ / ca. perev. ]]


Wenn zwei Teilchen verwickelt sind, ergänzen sich die Eigenschaften ihrer Wellenfunktionen, und die Messung eines von ihnen bestimmt die Eigenschaften des anderen. Ob die Wellenfunktion eine abstrakte mathematische Beschreibung ist oder ob sie den tieferen Wahrheiten des Universums und der deterministischen, fundamentalen Realität zugrunde liegt, ist eine offene Frage.

Dies ist ein philosophisches Problem für Realisten. Dies bedeutet, dass die Wellenfunktion eines Teilchens - oder die verschränkte Wellenfunktion mehrerer Teilchen - ein reales, physikalisches Objekt ist, das im Universum existiert und sich entwickelt, aber dies erfordert eine große Anzahl unangenehmer Annahmen. Es muss angenommen werden, dass es unendlich viele mögliche Realitäten gibt und dass wir nur in einer von ihnen leben, obwohl es keine Beweise für die Existenz anderer gibt. Wenn Sie Instrumentalist sind (als Autor; es ist einfacher und praktischer), haben Sie dieses philosophische Problem nicht. Sie nehmen einfach an, dass die Wellenfunktion ein Werkzeug für Berechnungen ist.


Einstein war ein überzeugter Realist in Fragen der Quantenmechanik, und er nahm dieses Vorurteil mit ins Grab. Es wurden keine Beweise gefunden, die seine Interpretation der Quantenmechanik stützen, obwohl sie immer noch viele Anhänger hat.

Steven Weinberg, Nobelpreisträger, Mitbegründer des Standardmodells und genialer theoretischer Physiker in vielen Bereichen, verurteilte kürzlich den Ansatz des Instrumentalismus in der Zeitschrift Science News und beschrieb ihn wie folgt:

Es ist so schrecklich, sich vorzustellen, dass wir nicht über alles, was existiert, Bescheid wissen - wir können sagen, was nur durch eine Messung passiert ist.

Unabhängig von Ihren philosophischen Ausweichmanövern können Sie mit der Quantenmechanik und der Wellenfunktion, die Teilchen verwickelt, diese Verschränkung auch in kosmischen Entfernungen zerstören. Dies ist der einzige augenblickliche Prozess im Universum, der uns bekannt ist, und deshalb unterscheidet er sich wirklich!

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).