Die Quantenwelt widerspricht oft dem gesunden Menschenverstand. Der Nobelpreisträger Richard Feynman sagte einmal: "Ich glaube, ich kann mit Sicherheit sagen, dass niemand die Quantenmechanik versteht." Quantenteleportation ist nur eines dieser seltsamen und scheinbar unlogischen Phänomene.
2017 teleportierten Forscher aus China das Objekt in den Weltraum. Es war kein Mann, kein Hund oder gar ein Molekül. Es war ein Photon. Oder vielmehr Informationen, die ein bestimmtes Photon beschreiben. Aber warum heißt das Teleportation?
Unter dem Strich hat die Quantenteleportation wenig mit der Teleportation als solcher zu tun. Es geht vielmehr darum, ein Internet zu schaffen, das nicht gehackt werden kann. Bevor wir jedoch direkt auf dieses Thema eingehen, sprechen wir über ein Paradoxon.
Der brillante Physiker und Autor spezieller und allgemeiner Relativitätstheorien, Albert Einstein, betrachtete die Quantenmechanik als fehlerhafte Theorie. 1935 schrieb er zusammen mit den Physikern Boris Podolsky und Nathan Rosen einen Artikel, in dem er ein Paradoxon definierte, das fast alles in Frage stellt, was mit der Quantenmechanik zu tun hat - das EPR-Paradoxon.
Die Quantenmechanik ist die Wissenschaft der kleinsten Aspekte des Universums: Atome, Elektronen, Quarks, Photonen und so weiter. Es enthüllt paradoxe und manchmal widersprüchliche Aspekte der physischen Realität. Ein solcher Aspekt ist die Tatsache, dass Sie ein Teilchen durch Messen "verändern". Dieses Phänomen wurde schließlich als die Wirkung des Beobachters bezeichnet: Das Messen eines Phänomens beeinflusst es irreparabel.
Schematische Beschreibung eines Versuchsaufbaus zur Teleportation eines Photons in den Weltraum / China Academy of Sciences.
Um ein Atom zu beobachten, scheinen wir oft darauf. Die Photonen dieses Lichts interagieren mit dem Teilchen und beeinflussen dadurch dessen Position, Drehimpuls, Spin oder andere Eigenschaften. In der Quantenwelt ähnelt die Verwendung von Photonen zur Beobachtung eines Atoms der Verwendung von Bowlingkugeln, um die Stifte am Ende einer Kegelbahn zu zählen. Infolgedessen ist es unmöglich, alle Eigenschaften eines Partikels genau zu kennen, da der Beobachter während seiner Untersuchung das Ergebnis beeinflusst.
Der Beobachter-Effekt wird oft mit der Vorstellung verwechselt, dass Bewusstsein die Realität irgendwie beeinflussen oder sogar erschaffen kann. Tatsächlich ist dieser Effekt nicht übernatürlich, da er überhaupt kein Bewusstsein erfordert.
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Photonen, die mit einem Atom kollidieren, erzeugen den gleichen Beobachter-Effekt, unabhängig davon, ob sie sich aufgrund von Handlungen von Seiten des menschlichen Bewusstseins darauf zubewegen oder nicht. In diesem Fall ist "beobachten" einfach zu interagieren.
Wir können keine externen Beobachter sein. In Quantensystemen nimmt eine Person immer aktiv teil und verwischt die Ergebnisse.
Genau das gefiel Albert Einstein nicht. Für ihn deutete diese inhärente Mehrdeutigkeit auf eine Unvollständigkeit der Quantenmechanik hin, die beseitigt werden musste. Der Wissenschaftler glaubte, dass die Realität nicht so unzuverlässig sein könne. Genau darauf bezieht sich sein berühmter Satz: "Gott würfelt nicht mit dem Universum."
Und nichts hat die Schwäche der Quantenmechanik mehr betont als das Paradox der Quantenverschränkung.
Manchmal können Teilchen auf einer Quantenskala so miteinander verbunden werden, dass die Messung der Eigenschaften eines Teilchens sofort ein anderes beeinflusst, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Dies ist eine Quantenverschränkung.
Nach Einsteins Relativitätstheorie kann sich nichts schneller bewegen als Licht. Die Quantenverschränkung schien diese Regel jedoch zu brechen. Wenn ein Teilchen mit einem anderen verwickelt ist und eine mögliche Änderung, die bei einem von ihnen auftritt, das andere beeinflusst, muss eine Verbindung zwischen ihnen bestehen. Wie können sie sich sonst gegenseitig beeinflussen? Wenn dies jedoch trotz der Entfernungen sofort geschieht, muss diese Verbindung schneller als die Lichtgeschwindigkeit erfolgen - daher das eigentliche EPR-Paradoxon.
Wenn Sie versuchen zu messen, durch welchen Spalt ein Elektron während eines Experiments mit zwei Schlitzen geht, erhalten Sie kein Interferenzmuster. Stattdessen verhalten sich Elektronen nicht wie Wellen, sondern wie "klassische" Teilchen.
Einstein nannte dieses Phänomen "gruselige Fernwirkung". Das ganze Gebiet der Quantenmechanik schien ihm ebenso schwach wie die vermeintliche Quantenverschränkung. Bis zu seinem Lebensende versuchte der Physiker erfolglos, die Theorie zu "flicken", aber es wurde nichts daraus. Es gab einfach nichts zu reparieren.
Nach Einsteins Tod wurde wiederholt bewiesen, dass die Quantenmechanik korrekt ist und funktioniert, auch wenn sie oft dem gesunden Menschenverstand widerspricht. Wissenschaftler haben bestätigt, dass das Quantenverschränkungsparadoxon ein reales Phänomen ist und im Allgemeinen kein Paradoxon. Trotz der Tatsache, dass die Verschränkung sofort auftritt, können keine Informationen zwischen Partikeln schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden.
Wie hängt das alles mit der Quantenteleportation zusammen? Kommen wir zurück zu unserem Thema. Tatsache ist, dass auf diese Weise weiterhin Informationen übertragen werden können. Genau das haben Forscher aus China 2017 getan. Obwohl es als "Teleportation" bezeichnet wird, haben Wissenschaftler tatsächlich den Informationstransfer zwischen zwei verschränkten Photonen durchgeführt.
Wenn ein Laserstrahl durch einen speziellen Kristall gerichtet wird, verwickeln sich die von ihm emittierten Photonen. Wenn also ein Photon in einem verschränkten Paar gemessen wird, ist der Zustand des anderen sofort bekannt. Wenn Sie ihre Quantenzustände als Signalträger verwenden, können Informationen zwischen zwei Photonen übertragen werden. Dies wurde bereits in Labors auf der ganzen Welt durchgeführt, aber noch nie in einer solchen Entfernung.
Chinesische Forscher haben ein verwickeltes Photon zu einem Satelliten in 1.400 Kilometern Höhe geschickt. Sie verwickelten dann das auf dem Planeten verbleibende Photon mit dem dritten Photon, was es ermöglichte, seinen Quantenzustand an das Photon auf dem Satelliten zu senden, wodurch das dritte Photon effektiv in der Umlaufbahn kopiert wurde. Das dritte Photon wurde jedoch nicht physikalisch auf den Satelliten übertragen. Nur Informationen über seinen Quantenzustand wurden übertragen und wiederhergestellt.
Es war also keine Teleportation im Star Trek-Stil. Der größte Durchbruch in diesem Experiment war jedoch nicht die Teleportation, sondern die Kommunikation.
Ein Quanten-Internet, das auf verschränkten Teilchen basiert, wäre kaum zu hacken. Und das alles dank des Beobachter-Effekts.
Wenn jemand versucht, eine dieser Quantenübertragungen abzufangen, wird dies im Wesentlichen ein Versuch sein, das Teilchen zu beobachten, das - wie wir bereits wissen - es verändern wird. Eine beeinträchtigte Übertragung wäre sofort sichtbar, da die Partikel nicht mehr verwickelt wären oder die Übertragung vollständig zerstört würde.
Das Quantum Internet wäre ein nahezu 100% sicheres Kommunikationsnetz. Ohne Zugang zu verwickelten Partikeln könnte niemand sie hacken. Und wenn jemand Zugang zu einem der verwickelten Partikel bekommen würde, würde er es sofort bemerken, da das Partikel verschwinden würde, was bedeutet, dass das Internet nicht mehr funktioniert. So kann es nützlicher sein als ein Photonenteleportationsgerät.
Die Forscher mussten über eine Million Versuche unternehmen, um etwas mehr als 900 Partikel erfolgreich zu verwickeln. Da Photonen unsere Atmosphäre passieren müssen, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass sie mit anderen Teilchen interagieren, daher "beobachtet" werden, wodurch Verwicklungen beseitigt und die Übertragung abgeschlossen werden.
Die Quantenteleportation verliert alle Informationen über das ursprüngliche Teilchen, erstellt jedoch am anderen Ende eine identische Kopie / & copy; Jim Al-Khalili / Quantenteleportation verliert alle Informationen über das Originalteilchen, erstellt jedoch eine identische Kopie am anderen Ende / Jim Al-Khalili.
Werden wir eines Tages - irgendwann in ferner Zukunft - dieselbe Technik anwenden, um große Objekte oder sogar Menschen zu teleportieren? Theoretisch ja. Dies würde jedes Partikel im Körper mit der gleichen Anzahl von Partikeln am Zielort verwickeln. Jeder Zustand und jede Position aller Ihrer Partikel muss gescannt und an einen anderen Ort übertragen werden. Die wartenden Partikel verwickeln sich und akzeptieren die an sie weitergegebenen Informationen, wobei sie sofort einen Zustand annehmen, der mit den ursprünglichen Partikeln identisch ist. Dies ist im Wesentlichen dasselbe, was Photonen im chinesischen Experiment passiert ist. Der einzige Unterschied ist, dass es um jedes Partikel in Ihrem Körper geht.
Sie sollten jedoch nicht überglücklich sein. Die Teleportation unterliegt ebenfalls dem Beobachter-Effekt. Ein Scanvorgang, bei dem alle Partikel gemessen werden, würde sie sofort ändern. Es ist möglich, dass die Änderungen für Sie unangenehm waren und Sie sich in einen nicht erkennbaren Quantenschleim verwandeln würden. Sie würden am ursprünglichen Punkt aufhören zu existieren und an einem anderen erscheinen - genau das gleiche, aber mit einem neuen Satz von Partikeln. Aber ob du du selbst bleibst oder nicht, ist eine ganz andere Frage.
Vladimir Guillen
