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

Ursprünglicher Autor: Ethan Siegel
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Indem wir zwei verschränkte Photonen im vorhandenen System erzeugen und diese dann über eine lange Distanz teilen, können wir Informationen über den Zustand eines der beiden erhalten, indem der Zustand des anderen gemessen wird.

Die Quantenphysik ist voller Geheimnisse, die dafür bekannt sind, dass sie unserer Intuition widersprechen. Die Partikel scheinen zu wissen, ob Sie sie betrachten oder nicht, und sie zeigen unterschiedliche Verhaltensweisen, je nachdem, ob Sie sie beobachten oder nicht und durch einen doppelten Spalt gehen. Die Messung eines einzelnen Wertes, zum Beispiel der Position eines Partikels, erzeugt seine inhärente Unsicherheit in dem Komplementärwert, beispielsweise dem Moment. Wenn Sie den Spin in vertikaler Richtung messen, zerstören Sie die Informationen über den Spin in horizontaler Richtung. Das "erschreckendste" aller Quantenphänomene wird jedoch die Quantenverschränkung sein, wenn ein Teilchen augenblicklich "herauszufinden" ist, ob ein damit verwickelter Partner gemessen wurde, selbst wenn dies am anderen Ende des Universums geschieht. Diese Woche werfen wir einen Blick auf die Frage eines Lesers, fasziniert davon, warum dies im Allgemeinen als Rätsel gilt.
Aus Sicht der Photonen haben sie die Nullzeit in Nullzeit zurückgelegt. Also, was ist einschüchternd? Bis einer von ihnen gemessen wird, befinden sie sich am selben Ort und zur gleichen Zeit (wenn Sie ihnen glauben), so dass es kein Geheimnis ist, dass sie ihre Zustände koordinieren.

Vernünftige Begründung: Durch die Verlangsamung der Zeit für sich schnell bewegende Partikel können sie ihre Zustände bei jeder Geschwindigkeit koordinieren. Dieses Rätsel ist jedoch nicht so leicht zu lösen.

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Schema des dritten Aspe-Experiments zum Testen der Quanten-Nichtlokalität. Verschränkte Photonen von der Quelle werden zu zwei Schaltern geleitet, die sie zu den Polarisationssensoren lenken. Schalter wechseln sehr schnell ihre Zustände und ändern die Detektoreinstellungen während des Fluges von Photonen.

Betrachten wir zunächst die Frage der Verschränkung. Das Experiment wird normalerweise mit Photonen durchgeführt: Sie lassen ein Lichtquant durch ein spezielles Material (einen Streukristall) durch, der es in zwei Photonen aufspaltet. Diese Photonen werden in einem bestimmten Sinn verschränkt, dh wenn einer einen Spin hat, einen inneren Drehimpuls, +1, dann hat der andere -1. Aber welches wissen wir nicht. Sie können sogar Experimente durchführen, bei denen nach Berücksichtigung einer großen Anzahl von Photonen der Unterschied besteht
• statistische Ergebnisse bei Spin +1;
• statistische Ergebnisse bei Spin -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 hervorragende Analogie: den Durchgang eines Teilchens durch einen Doppelspalt.

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Wenn Sie Elektronen, Photonen oder andere Partikel durch einen Doppelspalt passieren, entsteht ein Interferenzbild. Dies geschieht jedoch nur, wenn Sie nicht prüfen, welche Lücke sie durchlaufen!

Wenn Sie ein Teilchen durch einen Doppelspalt, dh einen Bildschirm mit zwei engen, sehr nahe beieinander liegenden Schlitzen, passieren und durch diesen hindurchgehen, anstatt vom Bildschirm verzögert zu werden, können Sie leicht feststellen, wo es sich auf der anderen Seite befindet. Wenn Sie mehrere Partikel nacheinander durch einen Doppeltrieb starten, werden Sie feststellen, dass die Partikel, die die Schlitze passieren, ein Interferenzmuster bilden. Mit anderen Worten, jedes Partikel verhält sich anders, als ob es den einen oder den anderen Spalt passiert hätte; Sie benimmt sich so, als würde sie beide Schlitze gleichzeitig durchlaufen, sich in der Art einer Welle eingemischt und sich weiterbewegt haben.

Dieses Bild, das die merkwürdige quantenmechanische Natur aller Teilchen des Universums zeigt, erscheint jedoch nur, wenn Sie nicht bestimmen, durch welchen Spalt ein Teilchen geht.

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Wenn Sie feststellen, welchen Spalt ein Partikel durchläuft und den Rest des Experiments unverändert lässt, wird überhaupt kein Interferenzmuster angezeigt.

Wenn Sie stattdessen ein Teilchen in einer Passage durch einen der Schlitze messen - dies kann durch die Installation eines Zählers erfolgen -, erhalten Sie kein Interferenzmuster. Sie erhalten ein Bündel Teilchen, das dem Durchgang durch Schlitz 1 entspricht, und einen Stapel für Schlitz 2.

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Ein Wellenmuster von Elektronen, die nacheinander durch einen Doppelschlitz laufen. Wenn Sie die Lücke messen, durch die ein Elektron gegangen ist, zerstören Sie das Quanteninterferenzmuster. Beachten Sie, dass zum Erstellen eines solchen Bildes mehr als ein Elektron erforderlich ist.

Mit anderen Worten, wenn Sie eine Messung durchführen, die den von einem Partikel gewählten Pfad bestimmt, ändern Sie das Ergebnis dieser Wahl! Für ein Partikel können Sie nur die Wahrscheinlichkeit für den Durchtritt durch Slot 1, Slot 2 oder die Interferenz mit sich selbst bestimmen. Um den tatsächlichen Zustand Ihres Experiments zu ermitteln, benötigen Sie mehr Statistiken.


Bells quantenmechanischer Test für Teilchen mit halb ganzzahligem Spin

Kommen wir zu den verschränkten Photonen zurück. Oder sogar zu irgendwelchen verwickelten Teilchen. Sie erstellen zwei verschränkte Teilchen, in denen Sie die Gesamtsumme ihrer Eigenschaften kennen, nicht jedoch die Eigenschaften der einzelnen. Das einfachste Beispiel wäre ein Spin - für zwei Photonen stellt sich heraus, dass sie entweder (+1 und -1) oder (-1 und +1) ist, für zwei Elektronen - (+ ½ und -½) oder (-½ und + ½) - und Sie Ich weiß nicht, welche von ihnen eine Drehung haben wird, bis Sie messen. Anstelle von Steckplätzen können Sie sie durch einen Polarisator senden. Und sobald Sie eins messen, bestimmen Sie das andere. Mit anderen Worten, Sie wissen es sofort.


Ein Quantenlöschversuch, bei dem zwei verschränkte Teilchen getrennt und gemessen werden. Alle Aktionen mit einem der Partikel am Ziel beeinflussen das andere nicht.

"Erschreckend" ist die Tatsache, dass in der Physik nichts anderes sofort passiert. Die höchste Übertragungsgeschwindigkeit eines Signals ist gleich c, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Diese zwei verschränkten Teilchen können jedoch in Meter, Kilometer, astronomische Einheiten oder Lichtjahre unterteilt werden, und die Messung eines der Partikel 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, ob sie viel Energie haben und ob Sie sie voneinander isolieren, sodass sie keine Photonen zueinander schicken. Es gibt keine Schlupflöcher, durch die die Geschwindigkeit der Interaktion in einem Bezugssystem dies irgendwie kompensieren kann. In den späten 1990er Jahren wurde bei Experimenten mit der Trennung und gleichzeitigen Messung dieser Partikel festgestellt, dass sich Informationen, die zwischen ihnen übertragen werden, 10.000 Mal schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen.


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

Das kann aber nicht sein! In Wirklichkeit werden keine Informationen übertragen. Sie können ein Teilchen nicht an einem Ort messen und damit etwas auf ein sehr weit entferntes Teilchen übertragen. Viele ausgeklügelte Schemata wurden entwickelt, um Informationen mit dieser Eigenschaft schneller als Licht zu übertragen. Sie haben jedoch 1993 bewiesen, dass dieser Mechanismus die Informationsübertragung nicht zulässt. Dafür gibt es eine einfache Erklärung:

• Wenn Sie „den Zustand eines Partikels messen, den ich habe“, werden Sie den Status eines anderen Partikels kennen, aber Sie können mit diesen Informationen nichts tun, bis Sie entweder zu einem anderen Partikel gelangen oder es zu uns gelangt und die Nachricht muss gehen bei Lichtgeschwindigkeit oder langsamer.
• Wenn Sie ein Partikel erzwingen, müssen Sie einen bestimmten Zustand akzeptieren, der Zustand des verschränkten Partikels wird dadurch nicht geändert. Im Gegenteil, es wird die Verschränkung zerstören, so dass Sie nichts über das zweite Teilchen erfahren.

[Ethan enthüllte das Wesen des Problems nicht ganz. All dies kann Sie nicht überraschen, wenn Sie sich eine Analogie mit Handschuhen vorstellen. Jemand hat dir einen Handschuh von einem Paar geschickt und dein Freund einen anderen. Und nachdem Sie Ihr Paket geöffnet haben, erkennen Sie nicht nur sofort, welchen Handschuh Sie erhalten haben, sondern auch, was Ihr Freund erhalten hat. Bei verschränkten Partikeln ist der Zustand der "Handschuhe" jedoch zunächst nicht definiert. Und wir wissen nicht einfach nicht oder wissen nicht, wie wir es bestimmen sollen - es wird tatsächlich zufällig bestimmt, und es ist zum Zeitpunkt der Messung eines der "Handschuhe". Dann nimmt ein anderer "Handschuh" sofort den entgegengesetzten Zustand an. Das nannte Einstein die „furchterregende Langstreckenaktion“. trans. ]


Wenn zwei Teilchen verschränkt sind, ergänzen sich die Eigenschaften ihrer Wellenfunktionen, und die Messung eines der Partikel bestimmt die Eigenschaften des anderen. Aber ist die Wellenfunktion eine abstrakte mathematische Beschreibung, oder ist sie die Grundlage der tieferen Wahrheit des Universums und der deterministischen, grundlegenden Realität? Dies ist eine offene Frage.

Dies ist ein philosophisches Problem für Realisten. Dies bedeutet, dass die Wellenfunktion eines Partikels - oder die verschränkte Wellenfunktion mehrerer Partikel - ein reales physisches Objekt ist, das im Universum existiert und sich entwickelt. Dies erfordert jedoch eine Vielzahl unbequemer Annahmen. Es muss davon ausgegangen 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 ein Instrumentalist sind (als Autor; es ist einfacher und praktischer), haben Sie dieses philosophische Problem nicht. Sie akzeptieren einfach als gegeben, dass die Wellenfunktion ein Werkzeug für Berechnungen ist.


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

Stephen Weinberg, ein Nobelpreisträger, Mitbegründer des Standardmodells und ein in vielen Bereichen brillanter theoretischer Physiker, verurteilte kürzlich den Ansatz des Instrumentalismus in der Zeitschrift Science News wie folgt aus :

das ist so schrecklich ist, scheint es , dass wir kein Wissen über alles haben , was existiert - wir können sagen , dass es nur die Messung durchgeführt wird .

Aber unabhängig von Ihren philosophischen Ausweichmanövern funktioniert die Quantenmechanik, und die Wellenfunktion, die die Teilchen verschränkt, ermöglicht es, diese Verschränkung auch in kosmischen Entfernungen zu zerstören. Dies ist der einzige augenblickliche Prozess im Universum, der uns bekannt ist, und daher steht er wirklich allein!

Ethan Siegel - Astrophysiker, Popularisator der Wissenschaft, Blog Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher Beyond The Galaxy und Treknologiya: Star Trek Science [ Treknology ].

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