Die Quantenverschränkung bleibt für moderne Physiker eines der herausforderndsten Forschungsgebiete. Von Einstein als „gruselige Fernwirkung“ beschrieben, haben Wissenschaftler lange versucht, zu vereinbaren, wie dieser Aspekt der Quantenmechanik mit der klassischen Mechanik koexistieren kann. Im Wesentlichen verstößt die Tatsache, dass zwei Teilchen über große Entfernungen miteinander verbunden werden können, gegen die Regeln der Lokalität und des Realismus.
Formal ist dies eine Verletzung von Bell's Ineqaulity, einer Theorie, die seit Jahrzehnten verwendet wird, um zu zeigen, dass Lokalität und Realismus gültig sind, obwohl sie nicht mit der Quantenmechanik vereinbar sind. In einer kürzlich durchgeführten Studie führten jedoch ein Forscherteam der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in München Tests durch, die erneut gegen Bell'sche Ungleichung verstoßen und das Vorhandensein von Verschränkungen nachweisen.
Ihre Studie mit dem Titel „Event-Ready Bell Test mit verschränkten Atomen, die gleichzeitig Erkennungs- und Lokalitätslücken schließen“ wurde kürzlich in der veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung. Unter der Leitung von Wenjamin Rosenfeld, Physiker an der LMU und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, versuchte das Team, die Ungleichung von Bell zu testen, indem zwei Teilchen in einer Entfernung miteinander verwickelt wurden.
Bell'sche Ungleichung (benannt nach dem irischen Physiker John Bell, der sie 1964 vorschlug) besagt im Wesentlichen, dass Eigenschaften von Objekten unabhängig von ihrer Beobachtung existieren (Realismus) und sich keine Informationen oder physikalischen Einflüsse schneller ausbreiten können als die Lichtgeschwindigkeit (Lokalität). Diese Regeln beschreiben perfekt die Realität, die wir Menschen täglich erleben, wo Dinge in einem bestimmten Raum und einer bestimmten Zeit verwurzelt sind und unabhängig von einem Beobachter existieren.
Auf der Quantenebene scheinen die Dinge diesen Regeln jedoch nicht zu folgen. Partikel können nicht nur über große Entfernungen (d. H. Verschränkung) auf nicht lokale Weise verbunden werden, sondern die Eigenschaften dieser Partikel können erst definiert werden, wenn sie gemessen werden. Und während alle Experimente bestätigt haben, dass die Vorhersagen der Quantenmechanik korrekt sind, haben einige Wissenschaftler weiterhin argumentiert, dass es Lücken gibt, die lokalen Realismus ermöglichen.
Um dies zu beheben, führte das Münchner Team ein Experiment mit zwei Labors an der LMU durch. Während sich das erste Labor im Keller der Physikabteilung befand, befand sich das zweite im Keller der Wirtschaftsabteilung - ungefähr 400 Meter entfernt. In beiden Labors haben die Teams ein einzelnes Rubidiumatom in einer aktuellen Falle eingefangen und sie dann angeregt, bis sie ein einzelnes Photon freigesetzt haben.
Wie Dr. Wenjamin Rosenfeld in einer Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts erklärte:
„Unsere beiden Beobachterstationen werden unabhängig voneinander betrieben und sind mit eigenen Laser- und Steuerungssystemen ausgestattet. Aufgrund der Entfernung von 400 Metern zwischen den Labors würde die Kommunikation von einem zum anderen 1328 Nanosekunden dauern, was viel mehr ist als die Dauer des Messvorgangs. Daher können im anderen Labor keine Informationen zur Messung in einem Labor verwendet werden. So schließen wir die Lokalitätslücke. "
Sobald die beiden Rubidiumatome bis zur Freisetzung eines Photons angeregt waren, wurden die Spinzustände der Rubidiumatome und die Polarisationszustände der Photonen effektiv verwickelt. Die Photonen wurden dann in optische Fasern eingekoppelt und zu einem Aufbau geführt, wo sie zur Interferenz gebracht wurden. Nach acht Tagen Messlauf konnten die Wissenschaftler rund 10.000 Ereignisse sammeln, um die Verstrickung der Zeichen zu überprüfen.
Dies wäre durch die Spins der beiden eingeschlossenen Rubidiumatome angezeigt worden, die je nach Art der Verschränkung in die gleiche Richtung (oder in die entgegengesetzte Richtung) zeigen würden. Das Münchner Team stellte fest, dass sich die Atome für die überwiegende Mehrheit der Ereignisse im selben Zustand (oder im entgegengesetzten Zustand) befanden und dass es nur sechs Abweichungen gab, die mit der Bellschen Ungleichung übereinstimmten.
Diese Ergebnisse waren auch statistisch signifikanter als diejenigen, die 2015 von einem Team niederländischer Physiker erhalten wurden. Für diese Studie führte das niederländische Team Experimente mit Elektronen in Diamanten in Labors durch, die 1,3 km voneinander entfernt waren. Am Ende zeigten ihre Ergebnisse (und andere kürzlich durchgeführte Tests der Bellschen Ungleichung), dass die Quantenverschränkung real ist, wodurch die lokale Realismuslücke effektiv geschlossen wurde.
Wie Wenjamin Rosenfeld erklärte, gingen die von seinem Team durchgeführten Tests auch über diese anderen Experimente hinaus, indem sie sich mit einem anderen wichtigen Problem befassten. "Wir konnten den Spin-Zustand der Atome sehr schnell und sehr effizient bestimmen", sagte er. "Damit haben wir eine zweite potenzielle Lücke geschlossen: die Annahme, dass die beobachtete Verletzung durch eine unvollständige Stichprobe detektierter Atompaare verursacht wird".
Durch den Nachweis der Verletzung der Bellschen Ungleichung tragen Wissenschaftler nicht nur dazu bei, eine dauerhafte Inkongruenz zwischen klassischer und Quantenphysik zu lösen. Sie öffnen auch die Tür zu einigen aufregenden Möglichkeiten. Zum Beispiel haben Wissenschaftler jahrelang die Entwicklung von Quantenprozessoren vorweggenommen, die auf Verschränkungen beruhen, um die Nullen und Einsen des Binärcodes zu simulieren.
Computer, die auf Quantenmechanik angewiesen sind, wären exponentiell schneller als herkömmliche Mikroprozessoren und würden ein neues Zeitalter der Forschung und Entwicklung einleiten. Dieselben Prinzipien wurden für die Cybersicherheit vorgeschlagen, bei der die Quantenverschlüsselung zum Verschlüsseln von Informationen verwendet wird, wodurch sie für Hacker, die auf herkömmliche Computer angewiesen sind, unverwundbar werden.
Last but not least gibt es das Konzept der Quantenverschränkungskommunikation, eine Methode, mit der wir Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen können. Stellen Sie sich die Möglichkeiten der Raumfahrt und Erforschung vor, wenn wir nicht mehr an die Grenzen der relativistischen Kommunikation gebunden sind!
Einstein hat sich nicht geirrt, als er Quantenverschränkungen als "gruselige Handlung" charakterisierte. In der Tat sind viele der Implikationen dieses Phänomens immer noch so beängstigend wie faszinierend für Physiker. Aber je näher wir dem Verständnis kommen, desto näher werden wir der Entwicklung eines Verständnisses dafür kommen, wie alle bekannten physikalischen Kräfte des Universums zusammenpassen - auch bekannt als. eine Theorie von allem!
