Gruselige Aktion Ist Real: Bizarre Quantenverschränkung In Neuen Tests Bestätigt

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Wissenschaftler machen sich daran, aus nächster nähe gruselige aktionen endgültig zu beweisen - die vorstellung, dass verflochtene partikel sofort kommunizieren können.

Tut mir leid, es Ihnen zu brechen, Einstein, aber es sieht aus, als wäre das Universum ein großes Würfelspiel.

Zwei kürzlich durchgeführte Studien haben bestätigt, dass die "geisterhafte Fernwirkung", die Albert Einstein so verärgert hat - die Vorstellung, dass zwei durch große Entfernungen getrennte verschränkte Teilchen sich sofort gegenseitig beeinflussen können - sich in einer erstaunlichen Reihe verschiedener Versuchsanordnungen bewährt hat.

Ein Experiment schloss zwei der drei Schlupflöcher bei Beweisen für unheimliche Aktionen aus der Ferne. Ein anderer fand heraus, dass Quantenverschränkung über erstaunlich große Entfernungen funktioniert. Zukünftige Tests zielen darauf ab, die endgültige Lücke so klein wie möglich zu machen. [8 Möglichkeiten, wie Sie Einsteins Relativitätstheorie im wirklichen Leben sehen können]

Insgesamt bestätigt die neue Testreihe, was die Physiker längst vermutet haben.

"Es gibt keine verborgene, grundlegendere Theorie unter der Quantenmechanik", sagte Ronald Hanson, Physiker an der Delft-Universität in den Niederlanden und der leitende Ermittler in einem der neuen Experimente.

Obwohl die neuen Tests keine neuen theoretischen Grundlagen eröffnen, könnten sie den Weg für das Quantencomputing ebnen und die Kommunikationstechnologien perfekt absichern, sagte Hanson.

Verwickelte Teilchen

In den 1920er und 1930er Jahren begannen Physiker, die subatomare Teilchen untersuchten, den Kopf zu kratzen. Sie fanden heraus, dass die Schrödinger-Wellengleichung, die fundamentale Quantenmechanik-Gleichung, den individuellen Zustand oder die Position einiger Gruppen von Teilchen, die als verschränkte Teilchen bezeichnet werden, nicht beschreiben konnte, bis jedes einzelne Teilchen gemessen wurde. Sobald jedes Teilchen gemessen wurde, "kollabiert" die Wellenfunktion und das Teilchen nimmt einen bestimmten Zustand an.

Einstein und seine Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen erstellten in einem Artikel von 1935 ein Gedankenexperiment (EPR-Paradoxon) (nach den Initialen ihrer Nachnamen), um einige der absurden Implikationen der Wellengleichung aufzuzeigen. Nach den Regeln der Quantenmechanik bewegen sich verschränkte Teilchen in einer Art Überlagerung aller möglichen Zustände. Noch seltsamer ausgedrückt, implizierte die Wellengleichung, dass zwei verschränkte Teilchen, sobald sie einmal gemessen wurden, sofort viel schneller kommunizieren können als die Lichtgeschwindigkeit, um ihre Zustände miteinander zu verbinden. Indem Einstein und seine Kollegen diese "gruselige Aktion aus der Ferne" ignorierten, argumentierten sie stattdessen, dass eine versteckte Variable die Zustände beider Partikel irgendwie beeinflussen muss. [Verdrehte Physik: 7 Erkenntnisse, die den Geist beeinflussen]

Ungleichheit und Lücke

Physiker waren jahrzehntelang in der Schwebe, unsicher, ob Einsteins verborgene Variable oder die direkte Interpretation der Schrödinger-Wellengleichung richtig waren. Dann, in den 1960er Jahren, schlug der Physiker John Stewart Bell einen direkten Test vor, bekannt als Bell's Inequality, um gruselige Aktionen aus der Ferne zu testen. Wenn gruselige Handlungen real wären, schlug Bell vor, dann hätten verschränkte Teilchen, die in einiger Entfernung gemessen wurden, korrelierte Zustände mehr als einen bestimmten Prozentsatz der Zeit. Und wenn eine versteckte Variable diese scheinbar verschränkten Teilchen beeinflusste, dann hätten die verschränkten Teilchen weniger korrelierte Zustände als dieser Bruchteil der Zeit.

In Hunderten von Bell-Experimenten seitdem haben Physiker herausgefunden, dass verschränkte Teilchen bei höheren Geschwindigkeiten als dem Licht korrelierte Zustände zu haben scheinen.

Bei all diesen Tests gab es jedoch einige Einschränkungen oder Schlupflöcher. Einer ist, dass Detektoren, die zum Messen von verschränkten Partikeln wie Photonen verwendet werden, oft viele der Partikelduos verfehlen. Daher analysierten Experimente die Statistiken nur für einen kleinen Bruchteil der Photonen, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die nicht detektierten Photonen das Bild verändern könnten, sagte Hanson.

Eine weitere Lücke ist die Idee, dass die beiden verschränkten Teilchen sich möglicherweise irgendwie miteinander mitteilen, bevor sie entdeckt werden. Die dritte Lücke ist die Vorstellung, dass die zufällige Wahl eines verschränkten Zustands überhaupt nicht zufällig ist, sondern irgendwie auf eine Art und Weise voreingenommen ist, die der Mensch nicht wahrnimmt.

Schließen Sie die Schlupflöcher

Nun beginnen die Forscher diese Lücken zu schließen.

Der Physiker der Universität Wien, Anton Zeilinger, und seine Kollegen zeigten zum Beispiel, dass verwickelte, im Abstand von 143 km entfernte Teilchen immer noch als Quantenmechanik vorhergesagt werden. Der in einem am 5. November in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlichten Artikel beschriebene Test basiert auf einem massiven Detektor, der auf den Kanarischen Inseln Spaniens aufgestellt wurde. (Einige argumentieren, dass die eigentlichen Photonen in diesem Experiment nur über eine kurze Distanz miteinander verflochten sind und dass das Experiment eine Demonstration der Quanten-Teleportation über lange Distanzen ist, nicht die Verschränkung, sagte Hanson.)

Und nur wenige Wochen zuvor zeigten Hanson und seine Kollegen in einem Artikel, der am 23. Oktober in der Zeitschrift Nature (und ursprünglich in der Open-Access-Preprint-Zeitschrift arXiv) veröffentlicht wurde, dass Bells Ungleichheit auch bei den ersten beiden Lücken gleichzeitig gilt.

Um die Schlupflöcher zu schließen, verwendeten Hanson und sein Team ein neuartiges Material: Diamanten mit einem Defekt an Stickstoff-Leerstellen oder ein Loch in der Atommatrix, in dem sich ein Atom befinden sollte. In diesem Loch werden zusätzliche Elektronen gefangen, aus denen die Partikel bestehen, die sich verwickeln. Daher verwendete das Team zwei separate Diamantkristalle, die auf dem Universitätsgelände fast 1,6 km voneinander entfernt waren.

Um die Elektronen zu verheddern, erregte das Team die Elektronen auf beiden Seiten des Campus so, dass der Spin - die winzige stabmagnetische Orientierung des Elektrons - entweder "nach oben" oder "nach unten" war. Jede der angeregten Elektronen emittierte dann ein Photon, und beide dieser Photonen wanderten ungefähr in der Mitte zu einem Strahlteiler und kamen genau zur selben Zeit an. Der Strahlteiler hat eine gleiche Chance, beide Photonen entweder zu reflektieren oder durchzulassen, was es im Wesentlichen unmöglich macht zu erkennen, von welcher Seite des Campus die Photonen stammen. Nachdem die Photonen am Strahlteiler detektiert worden waren, maß das Team die Elektronen auf beiden Seiten des Campus, um zu sehen, ob ihre Spins korreliert waren. Sicher, das Team stellte fest, dass die Elektronenkorrelation hoch genug war, um die Vorstellung von gruseliger Aktion aus der Ferne zu unterstützen.

Das neue Ergebnis schließt beide Schlupflöcher, da die Erkennung des anfänglichen Spinzustands der Elektronen zu 100 Prozent der Zeit erkannt wird - sie sitzen die ganze Zeit im Diamanten, sagte Hanson. Außerdem seien die beiden Diamanten so weit voneinander entfernt, dass es für die beiden Elektronen nicht möglich ist, in der Zeit zu kommunizieren, in der die Messung durchgeführt wird, fügte er hinzu.

Unerledigte Aufgabe

Die neuen Ergebnisse von Hanson schließen die ersten beiden Schlupflöcher auf wunderbare Weise, sagte David Kaiser, Physiker am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, der an keinem der beiden neuen Experimente beteiligt war.

Es gibt jedoch immer noch eine Lücke, sagte er.

Jeder benutzt eine Art Zufallszahlengenerator, um den Zustand eines Teilchens zu bestimmen, sagte Kaiser. Was aber, wenn diese Zufallszahlen nicht wirklich zufällig waren?

Das dritte Schlupfloch fragt: "Hat irgendein Prozess in der Vergangenheit dieses ganzen Experiments die Menge der Fragen, die gestellt würden, gestoßen oder voreingenommen oder irgendwie schräggestellt?" Kaiser erzählte WordsSideKick.com.

Kaiser und Zeilinger erarbeiten also einen Test, der diese dritte Lücke erheblich verringern würde. Das Team würde seine Zufallszahlen aus leuchtenden Regionen in der Nähe von galaktischen Zentren, sogenannten Quasaren, ableiten, die so weit entfernt sind, dass das Licht von ihnen 11 bis 12 Milliarden Jahre gebraucht hat, um die Erde zu erreichen. Das schließt die Lücke zwar nicht vollständig aus, schließlich könnten die Zufallszahlen bei der feurigen Geburt des Universums manipuliert worden sein, aber es kommt ihm ziemlich nahe, sagte Kaiser. [Jenseits von Higgs: 5 Teilchen, die im Universum lauern können]

Dennoch glauben nicht alle, dass das Setup dem Schließen der dritten Lücke tatsächlich näher kommt.

"Was auch immer Sie einstellen, Sie können einfach nicht beweisen, dass einige Signale nicht vorbestimmt waren, bevor Sie sie gesehen haben", sagte Hanson. "Auf der tiefsten fundamentalen Ebene kann diese Lücke nicht geschlossen werden."

Darüber hinaus geht die Sternenlichtmethode davon aus, dass das Licht der Quasare auf ihrer langen Reise zur Erde nicht von einigen versteckten Variablen durcheinander gebracht werden konnte, fügte Hanson hinzu. Während dies wie ein langer Schuss erscheint, scheint es ebenso paranoid zu glauben, dass ein anderer Typ von Zufallszahlengenerator irgendwie manipuliert ist, fügte er hinzu.

(Am 10. November veröffentlichten Forscher des National Institute of Standards und Technology in Boulder, Colorado, USA) einen Artikel im Preprint-Journal arXiv mit der Behauptung, sie hätten Quantenverschränkung mit allen drei Schlupflöchern gezeigt. Allerdings war dieser Artikel noch nicht Gegenstand von Gleichgesinnten Review, das Standardverfahren für die Prüfung wissenschaftlicher Behauptungen, und es verwendet tatsächlich einen ähnlichen Ansatz und ähnliche Zufallszahlengeneratoren wie in Hansons Experimenten, so dass es auch nicht näher an der Beseitigung dieser dritten Lücke ist, sagte Hanson.)

Langzeitanwendungen

An diesem Punkt ist es gerecht zu fragen: Warum sollten Sie all diese Ressourcen ausgeben, um eine Prämisse zu testen, die fast alle Physiker für richtig halten?

Hanson, Kaiser, Zeilinger und andere erwarten nicht, dass ihre lückenlosen Tests das grundlegende Verständnis der subatomaren Physik verändern. Vielmehr haben Langzeitanwendungen möglicherweise mehr mit der Zukunft der Datenverarbeitung zu tun. Die Quantenverschlüsselung, die eines Tages zu einer absolut sicheren Verschlüsselungsmethode werden könnte, beruht auf dem Verständnis der Quantenmechanik, wie sie Wissenschaftler heute kennen.

Die Verlängerung der Länge, über die sich Partikel verwickeln lassen, könnte auch coole Anwendungen haben, sagte Hanson.

"Viele Leute sagten, dies sei das Ende dieser sehr langen Geschichte, aber ich freue mich mehr auf den Beginn des neuen Feldes", sagte Hanson.

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