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Quantenphysik: Unglaubliche Verschränkungen

Redaktion (uni:view)
23. Apr 12
Abstrakte Illustration: Vier Lichtteilchen können so manipuliert werden, dass man im Nachhinein entscheiden kann, in welchem Quantenzustand zwei der Teilchen gewesen sind. (Bild: Jon Heras, Equinox Graphics Ltd.)
Wie verrückt – zumindest nach herkömmlichen Erfahrungshorizont – die Quantenphysik sein kann, haben nun Physiker um Anton Zeilinger in einem in "Nature Physics" veröffentlichten Experiment demonstriert. Demnach können in der Quantenwelt zukünftige Handlungen Einfluss auf vergangene Ereignisse haben.

Dass die Quantenwelt seltsam erscheint und sich dem gesunden Menschenverstand völlig entziehen kann, haben schon viele quantenphysikalische Experimente gezeigt. Die Verschränkung etwa ist ein solches Phänomen, bei dem zwei Teilchen über beliebige Distanzen wie durch Zauberhand verbunden bleiben.

"Wir können davon ausgehen, dass die Welt tatsächlich so verrückt ist, wie Einstein hoffte, dass sie es nicht ist", hatte Zeilinger schon vor einigen Jahren gesagt und mit seiner Gruppe nun einmal mehr den Beweis dafür angetreten. Die Wissenschafter gehen dabei von der Verschränkung von Teilchen aus – ein Phänomen, das der österreichische Physiker Erwin Schrödinger als charakteristische Eigenschaft der Quantenmechanik schlechthin und Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet hat: Zwei verschränkte Teilchen, etwa zwei Photonen, bleiben über beliebige Distanzen miteinander verbunden. Sind sie verschränkt, haben perfekt definierte gemeinsame Eigenschaften, verlieren dabei allerdings ihre Einzeleigenschaften.

Wie die Würfel fallen …

Könnte man zwei Spielwürfel verschränken, wüsste man bis zur Messung nicht, welche Augenzahl sie zeigen. Nach der Messung würde aber mit Sicherheit bei beiden die gleiche – zufällige – Seite nach oben zeigen. Sind zwei Teilchen nicht verschränkt, hat jedes seine eigene wohldefinierte Eigenschaft – die Physiker sprechen von "separablen Quantenzuständen". Im Fall der Würfel würde bei jedem davon eine zufällige Seite nach oben zeigen, völlig unabhängig vom anderen Würfel.

Jetzt sollte man meinen, dass auch in der Quantenwelt die Frage, ob die beiden Teilchen verschränkt sind oder nicht, klar beantwortet werden kann, oder wie die Physiker es ausdrücken, "ein objektives Faktum der Wirklichkeit sein muss". Doch die Physiker vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) und des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien zeigten, dass dies nicht immer der Fall ist. Sie verwirklichten dazu ein Gedankenexperiment aus dem Jahr 2000 des israelischen Physikers Asher Peres (1934-2005), eines der Pioniere der Quanteninformationstheorie.

Viktor, Alice und Bob

Dabei werden zwei verschränkte Paare von Photonen produziert. Ein Photon von jedem Paar wird an ein Messgerät ("Viktor") geschickt. Von den zwei verbleibenden Photonen wird eines an das Messgerät "Alice" und eines an das Gerät "Bob" gesendet. "Viktor" hat bei seiner Messung zwei Möglichkeiten. Er kann die zwei Photonen so messen, dass sie in einen verschränkten Zustand gezwungen werden, dann wird auch das Photonenpaar von "Alice" und "Bob" verschränkt. Entscheidet sich "Viktor" aber, seine beiden Teilchen einzeln zu messen, dann wird auch das Paar von "Alice" und "Bob" in einen separablen Zustand gebracht.

So weit, so bekannt. Die Physiker um Erstautor Xiao-song Ma haben in ihrem Experiment aber "Viktors" Entscheidung und Messung verzögert, diese findet erst nach den Messungen von "Alice" und "Bob" statt. Damit waren sie aber in der Lage, erst nach der Messung von "Alice" und "Bob" die Entscheidung über den Quantenzustand der Photonen von "Alice" und "Bob" zu treffen, also ob die Photonen verschränkt oder separabel waren. Die Entscheidung kann sogar erst dann fallen, wenn die Lichtteilchen von "Alice" und "Bob" gar nicht mehr existieren.

"Nicht nur Spielerei"

Wie Anton Zeilinger betonte, ist das Experiment "nicht nur eine philosophische Spielerei", sondern hat auch praktische Bedeutung. Eine solche Anordnung und Prozedur mit den vier Photonen würde sich auch für sogenannte "Quanten-Repeater" eignen, die man in Zukunft dazu nützen könnte, Quantencomputer zu verbinden. So könnte man damit Output und Input von Quantencomputern verknüpfen. Die Konsequenz daraus klingt unglaublich und zeigt einmal mehr, wie seltsam die Quantenwelt sein kann: "Das bedeutet letztlich, dass ein
Quantencomputer in der Vergangenheit mit einem Problem zu rechnen beginnen kann, von einem Input, der erst in der Zukunft existiert." (APA)

Das Paper "Experimental delayed-choice entanglement swapping" (Autoren: Xiao-song Ma, Stefan Zotter, Johannes Kofler, Rupert Ursin, Thomas Jennewein,  Časlav Brukner und Anton Zeilinger) erschien am 22. April 2012 im Journal "Nature Physics".


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