Die Vorhersagen der Quantenmechanik lassen sich manchmal nur schwer mit Vorstellungen über die klassische Welt in Verbindung bringen. Während die Position und der Impuls eines klassischen Teilchens gleichzeitig gemessen werden können, können Sie im Quantenfall nur die Wahrscheinlichkeit kennen, ein Teilchen in dem einen oder anderen Zustand zu finden. Darüber hinaus besagt die Quantentheorie, dass, wenn zwei Systeme verwickelt sind, die Messung des Zustands eines von ihnen sofort das andere beeinflusst. Im Jahr 2015 haben drei Gruppen von Physikern bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Natur der Quantenverschränkung und Teleportation erzielt. Physics Today und Lenta.ru sprechen über die Leistungen von Wissenschaftlern.
Albert Einstein war mit der probabilistischen Interpretation der Quantenmechanik nicht einverstanden. In diesem Zusammenhang sagte er, dass "Gott nicht würfelt" (worauf der dänische Physiker Niels Bohr später antwortete, es sei nicht Sache von Einstein, zu entscheiden, was mit Gott geschehen soll). Der deutsche Wissenschaftler akzeptierte die der Mikrowelt innewohnende Unsicherheit nicht und hielt den klassischen Determinismus für richtig. Der Schöpfer der allgemeinen Relativitätstheorie glaubte, dass die Quantenmechanik bei der Beschreibung der Mikrowelt einige versteckte Variablen nicht berücksichtigt, ohne die die Quantentheorie selbst unvollständig ist. Der Wissenschaftler schlug vor, bei der Messung eines Quantenzustands mit einem klassischen Gerät nach versteckten Parametern zu suchen: Dieser Prozess beinhaltet eine Änderung des ersten nach dem zweiten, und Einstein hielt es für möglich, dort zu experimentieren, wo es keine solche Änderung gibt.
Seitdem versuchen Wissenschaftler festzustellen, ob versteckte Variablen in der Quantenmechanik existieren oder ob es sich um Einsteins Erfindung handelt. Das Problem der versteckten Variablen wurde 1964 vom britischen theoretischen Physiker John Bell formalisiert. Er schlug die Idee eines Experiments vor, bei dem das Vorhandensein versteckter Parameter im System durch eine statistische Analyse einer Reihe spezieller Experimente herausgefunden werden kann. Das Experiment war so. Ein Atom wurde in ein externes Feld gebracht und emittierte gleichzeitig ein Photonenpaar, das in entgegengesetzte Richtungen gestreut wurde. Die Aufgabe der Experimentatoren besteht darin, mehrere Messungen der Richtung der Photonenspins durchzuführen.
Dies würde es ermöglichen, die notwendigen Statistiken zu sammeln und unter Verwendung von Bellschen Ungleichungen, die eine mathematische Beschreibung des Vorhandenseins versteckter Parameter in der Quantenmechanik darstellen, Einsteins Standpunkt zu überprüfen. Die Hauptschwierigkeit lag in der praktischen Durchführung des Experiments, das spätere Physiker reproduzieren konnten. Die Forscher haben gezeigt, dass es in der Quantenmechanik höchstwahrscheinlich keine versteckten Parameter gibt. In der Zwischenzeit gab es theoretisch zwei Lücken (Ort und Erkennung), die beweisen konnten, dass Einstein Recht hatte. Im Allgemeinen gibt es mehr Lücken. Die Experimente von 2015 schlossen sie ab und bestätigten, dass es im Mikrokosmos höchstwahrscheinlich keinen lokalen Realismus gibt.
"Spooky Action" zwischen Bob und Alice
Bild: JPL-Caltech / NASA
Wir sprechen über die Experimente von drei Gruppen von Physikern: von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden, dem Nationalen Institut für Standards und Technologie in den USA und der Universität Wien in Österreich. Die Experimente der Wissenschaftler bestätigten nicht nur die Vollständigkeit der Quantenmechanik und das Fehlen versteckter Parameter, sondern eröffneten auch neue Möglichkeiten der Quantenkryptographie - eine Methode zur Verschlüsselung (Schutz) von Informationen mithilfe der Quantenverschränkung mithilfe von Quantenprotokollen - und führten zur Schaffung unzerbrechlicher Algorithmen zur Erzeugung zufällige Zahlen.
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Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem die Quantenzustände von Teilchen (z. B. der Spin eines Elektrons oder die Polarisation eines Photons), die durch einen Abstand voneinander getrennt sind, nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können. Das Verfahren zum Messen des Zustands eines Teilchens führt zu einer Änderung des Zustands eines anderen Teilchens. In einem typischen Experiment zur Quantenverschränkung besitzen voneinander beabstandete Wechselwirkungsmittel - Alice und Bob - jeweils ein Teilchen (Photonen oder Elektronen) aus einem Paar verschränkter Teilchen. Die Messung eines Partikels durch einen der Agenten, zum Beispiel Alice, korreliert mit dem Zustand des anderen, obwohl Alice und Bob nicht im Voraus über die Manipulationen des anderen Bescheid wissen.
Dies bedeutet, dass die Teilchen Informationen über einander irgendwie speichern und sie beispielsweise nicht mit Lichtgeschwindigkeit mit Hilfe einer der Wissenschaft bekannten grundlegenden Wechselwirkung austauschen. Albert Einstein nannte es "gruselige Fernwirkung". Verschränkte Teilchen verletzen das Prinzip der Lokalität, wonach der Zustand eines Objekts nur durch seine unmittelbare Umgebung beeinflusst werden kann. Dieser Widerspruch ist mit dem Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon verbunden (was auf die oben erwähnte Unvollständigkeit der Quantenmechanik und das Vorhandensein versteckter Parameter hinweist) und stellt eine der wichtigsten konzeptuellen Schwierigkeiten (die jedoch nicht mehr als Paradoxon angesehen werden) der Quantenmechanik dar (zumindest in ihrer Kopenhagener Interpretation)).
Schema des Experiments der niederländischen Wissenschaftler
Foto: arXiv.org
Befürworter des lokalen Realismus argumentieren, dass nur lokale Variablen Partikel beeinflussen können, und die Korrelation zwischen Alice und Bobs Partikeln wird mit einer versteckten Methode durchgeführt, die Wissenschaftler noch nicht kennen. Die Aufgabe der Wissenschaftler bestand darin, diese Möglichkeit experimentell zu widerlegen, insbesondere die Ausbreitung eines verborgenen Signals von einem Wirkstoff zu einem anderen zu verhindern (vorausgesetzt, es bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit im Vakuum - dem maximal möglichen in der Natur) und damit zu zeigen, dass eine Änderung des Quantenzustands des zweiten Teilchens aufgetreten ist bevor das latente Signal vom ersten Teilchen das zweite erreichen konnte.
In der Praxis bedeutet dies, dass Bob und Alice einen beträchtlichen Abstand voneinander haben (mindestens einige zehn Meter). Dies verhindert die Ausbreitung eines Signals über eine Änderung des Zustands eines der Partikel, bevor der Zustand des anderen gemessen wird (Standortfalle). Währenddessen lässt die Unvollkommenheit der Detektion des Quantenzustands einzelner Teilchen (insbesondere Photonen) Raum für eine Lücke bei der Probenahme (oder Detektion). Zum ersten Mal gelang es den Physikern der Technischen Universität Delft, zwei Schwierigkeiten gleichzeitig zu vermeiden.
In dem Experiment verwendeten wir ein Paar Diamantdetektoren mit einem Signaltrenner dazwischen. Wissenschaftler nahmen ein Paar nicht verwickelter Photonen und streuten sie in verschiedene Räume. Dann wurde jedes der Elektronen mit einem Paar Photonen verwickelt, die dann in den dritten Raum bewegt wurden. Im Verlauf von Experimenten konnte beobachtet werden, dass eine Änderung des Zustands (Spin) eines der Elektronen das andere beeinflusste. In nur 220 Stunden (über 18 Tage) haben Physiker die Bellsche Ungleichung 245 Mal getestet. Die beobachteten Elektronenmengen wurden mit Laserstrahlen gemessen.
In dem Experiment war es möglich, die Quantenzustände von Teilchen zu messen, die durch eine Entfernung von etwa 1,3 Kilometern voneinander getrennt waren, und die Gültigkeit der Bellschen Ungleichung (dh die Gültigkeit der Quantentheorie und den Irrtum des Konzepts des lokalen Realismus) zu zeigen. Die Ergebnisse dieser Studie werden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Den Autoren wird ein Nobelpreis für Physik vorausgesagt.
Position der Detektoren im niederländischen Experiment
Foto: arXiv.org
Teams aus den USA und Österreich haben mit Photonen experimentiert. So konnten Wissenschaftler des Nationalen Instituts für Standards und Technologie den Rekord für die Entfernung der Quantenteleportation (Übertragung des Quantenzustands eines Systems über eine Entfernung) über ein Glasfaserkabel in einer Entfernung von 102 Kilometern brechen. Zu diesem Zweck verwendeten die Wissenschaftler vier Einzelphotonendetektoren, die am selben Institut auf der Basis von supraleitenden Nanodrähten (gekühlt auf minus 272 Grad Celsius) aus siliciumhaltigem Molybdän hergestellt wurden. Nur ein Prozent der Photonen legte eine Strecke von 102 Kilometern zurück. Der bisherige Rekord für die Entfernung der Quantenteleportation über Glasfaser betrug 25 Kilometer (zum Vergleich: Der Rekord für die Entfernung der Quantenteleportation über die Luft betrug 144 Kilometer).
Österreichische Wissenschaftler verwendeten effizientere Sensoren als amerikanische, aber die zeitliche Auflösung in den Experimenten von Physikern aus den USA ist viel höher. Im Gegensatz zu den niederländischen Physikern, deren Aufbau etwa ein Ereignis pro Stunde aufzeichnete, konnten Wissenschaftler aus den USA und Österreich mehr als tausend Tests pro Sekunde durchführen, wodurch jede zufällige Korrelation in den experimentellen Ergebnissen praktisch ausgeschlossen wurde.
Wissenschaftler versuchen derzeit, die Effizienz von Experimenten zu verbessern - sie transportieren Partikel in immer größere Entfernungen und erhöhen die Messfrequenz. Leider führt die Verlängerung des optischen Kanals zu einem Verlust des Anteils detektierter Partikel und aktualisiert erneut die Gefahr einer Detektionslücke. Wissenschaftler des Nationalen Instituts für Standards und Technologie versuchen, dies zu bekämpfen, indem sie in Experimenten einen Quanten-Zufallszahlengenerator verwenden. In diesem Fall müssen keine Photonen über große Entfernungen transportiert werden, und die erstellte Technologie ist in der Quantenkryptographie nützlich.
Andrey Borisov
