Im vergangenen Monat kündigten der Milliardär Yuri Milner und der Astrophysiker Stephen Hawking Breakthrough Starshot an: einen unglaublich ehrgeizigen Plan, das erste von Menschen geschaffene Raumschiff an ein anderes Sternensystem in unserer Galaxie zu senden. Ein riesiges Laserarray könnte ein Gerät in Mikrochipgröße mit einer Lichtgeschwindigkeit von 20% zu einem anderen Stern bringen. Es ist jedoch unklar, wie dieses kleine Gerät über den riesigen interstellaren Raum mit uns kommunizieren kann. Wie wäre es mit Quantenverschränkung? Kann es auf eine solche Verbindung angewendet werden?
Diese Idee verdient sicherlich Aufmerksamkeit.
Stellen Sie sich zwei Münzen vor, von denen jede Kopf oder Zahl hochkommen kann. Sie haben eine Münze, ich habe eine andere, und wir sind extrem weit voneinander entfernt. Wir werfen unsere Münzen in die Luft, fangen sie und schlagen sie auf den Tisch. Bevor wir uns ein Stück ansehen, das gelandet ist, erwarten wir eine 50/50-Wahrscheinlichkeit, dass Schwänze und natürlich auch Köpfe auftauchen. In einem gewöhnlichen, entwirrten Universum sind Ihre und meine Ergebnisse unabhängig voneinander. Wenn Sie Schwänze hochkommen, besteht bei meiner Münze eine 50% ige Chance, dass Kopf oder Zahl fallen. Unter bestimmten Umständen können diese Ergebnisse jedoch verwirrend sein: Wenn Sie dieses Experiment durchführen und Schwänze erhalten, wissen Sie, dass meine Münze eine 100% ige Chance hat, Köpfe zu zeigen, bevor ich es Ihnen überhaupt sage. Sie werden es sofort erfahren, auch wenn wir durch Lichtjahre getrennt sind und keine einzige Sekunde vergangen ist.
In der Quantenphysik verwickeln wir normalerweise keine Münzen, sondern einzelne Teilchen wie Elektronen und Photonen, wobei beispielsweise jedes Photon einen Spin von +1 oder -1 haben kann. Wenn Sie den Spin eines Photons messen, erkennen Sie sofort den Spin eines anderen Photons, selbst wenn es ein halbes Universum von uns entfernt ist. Bis Sie den Spin eines Photons messen, existieren beide in einem unbestimmten Zustand; aber sobald einer gemessen wurde, wissen Sie sofort davon. Auf der Erde haben wir ein solches Experiment durchgeführt, bei dem zwei verschränkte Photonen um viele Kilometer voneinander getrennt wurden und ihre Spins über eine Nanosekunde gemessen wurden. Es stellte sich heraus, dass, wenn wir den Spin des einen messen und es sich als +1 herausstellt, wir feststellen, dass der Spin des anderen -1 10.000-mal schneller ist, als die Lichtgeschwindigkeit es uns erlauben könnte.
Und hier ist die Frage: Können wir diese Eigenschaft - die Quantenverschränkung - nutzen, um mit einem entfernten Sternensystem zu kommunizieren? Antwort: Ja, wenn wir eine Messung an einem entfernten Ort als Kommunikationsform in Betracht ziehen. Wenn Sie jedoch "Verbinden" sagen, möchten Sie normalerweise etwas über den Ort wissen, mit dem Sie sich verbinden. Sie können beispielsweise ein verwickeltes Teilchen in einem unbestimmten Zustand halten, es an Bord eines Raumfahrzeugs zu einem nahe gelegenen Stern schicken und es anweisen, nach Anzeichen von felsigen Planeten in der bewohnbaren Zone dieses Sterns zu suchen. Wenn er einen sieht, führt er eine Messung durch, die dazu führt, dass sich Ihr Partikel im Zustand +1 befindet. Wenn nicht, zeigt die Messung, dass sich Ihr Partikel im Zustand -1 befindet.
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Sie nehmen also an, ein Teilchen auf der Erde sollte sich beim Messen im Zustand -1 befinden, was darauf hinweist, dass das Raumschiff einen Planeten in der bewohnbaren Zone gefunden hat, oder im Zustand +1, der anzeigt, dass das Gerät einen Planeten hat nicht gefunden. Wenn Sie wissen, dass eine Messung durchgeführt wurde, können Sie Ihre eigene Messung durchführen und sofort über den Zustand eines anderen Partikels informiert werden, selbst wenn dieser viele Lichtjahre entfernt ist.
Wellenmuster für Elektronen, die durch einen Doppelspalt laufen. Wenn Sie messen, durch welchen Spalt das Elektron geht, zerstören Sie das Muster der Quanteninterferenz.
Der Plan ist in Ordnung. Aber es gibt ein Problem: Verschränkung funktioniert nur, wenn Sie das Teilchen fragen: In welchem Zustand befinden Sie sich? Wenn Sie ein verwickeltes Teilchen in einen bestimmten Zustand versetzen, brechen Sie die Verschränkung und die Messung auf der Erde ist völlig unabhängig von der Messung eines entfernten Sterns. Wenn Sie einfach ein entferntes Teilchen gemessen haben (und herausgefunden haben: +1 oder -1), beträgt Ihre Messung auf der Erde ebenfalls -1 bzw. +1 und gibt Ihnen Informationen über ein Teilchen, das sich Lichtjahre von Ihnen entfernt befindet. Wenn Sie ein Teilchen in den Zustand +1 oder -1 eintauchen, hat Ihr Teilchen auf der Erde unabhängig vom Ergebnis eine 50% ige Wahrscheinlichkeit von +1 oder -1 und sagt viele Lichtjahre lang nichts über das Teilchen aus.
Dies ist eines der am meisten missverstandenen Dinge in der Quantenphysik: Verschränkung kann verwendet werden, um Informationen über eine Komponente eines Systems zu erhalten, wenn Sie deren vollständigen Zustand kennen und eine andere Komponente (n) messen, aber nicht, um Informationen von einem Teil eines verschränkten Systems zu einem anderen zu erstellen und zu übertragen. … Daher gibt es keine Möglichkeit für eine schnellere Kommunikation als Licht.
Quantenverschränkung ist eine erstaunliche Eigenschaft, die wir für Tonnen verschiedener Dinge verwenden können, wie zum Beispiel ein perfektes Verschlüsselungssystem für Informationen. Aber Kommunikation ist schneller als Licht? Um zu verstehen, warum dies nicht möglich ist, müssen wir eine Schlüsseleigenschaft der Quantenphysik verstehen: Das gewaltsame Eintauchen mindestens eines Teils eines verschränkten Systems in einen Zustand verhindert, dass Sie Informationen über diesen Einbruch erhalten, indem Sie den Rest des Systems messen. Wie Niels Bohr einmal betonte: "Wenn die Quantenmechanik Sie noch nicht tief geschockt hat, haben Sie sie noch nicht verstanden."
Das Universum würfelt die ganze Zeit mit uns, sehr zu Einsteins Leidwesen. Selbst unsere besten Betrugsversuche in diesem Spiel werden von der Natur hervorgebracht.
