Interessantes zu Theoretischer Physik

Quantenverschränkung, Teleportation, Quantenkommunikation

Wie kommt es zu Quanten-Verschränkung?

Unter einem Quant (nicht Quantum, aber engl. quantum) versteht man heute jedes physikalische System, welches Quantenverhalten zeigt, d.h. Interferenz hinter einem Doppelspalt.

Quanten in diesem Sinne sind mindestens — aber keineswegs nur — alle Elementarteilchen.

Das Verhalten von Quanten lässt sich über die Regeln der Quantenmechanik weit treffender vorhersagen als über die Allgemeine Relativitätstheorie.

Quanten kann kein genau definierter Ort zugewiesen werden, son­dern nur eine durch das Quadrat einer Wahrscheinlichkeitswelle gegebene raumbezogene Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Diese Wellenfunktion genügt der Schrödinger- und der Dirac-Gleichung.

Wie man heute weiß, darf man nicht davon ausgehen, dass für Quanten das Prinzip lokaler Realität gilt, d.h. dass Beobachtungsergebnisse stets einer unabhängig von der Beo­bachtung exis­tierenden Wirk­lichkeit entsprechen, in der es keinerlei Fernwirkung gibt, die schneller als das Licht wäre. Denn:

Quanten können miteinander verschränkt sein in dem Sinne, dass


Beobachtung des einen, den Zustand des anderen beeinflusst

und das ohne jede Zeitverzögerung über beliebig große Entfernung hinweg
.



Experimente haben gezeigt, dass sich Paare — oder auch größere Mengen — von Quanten aller Art (Photonen, Elektronen, Protonen, Atome oder gar Moleküle oder Atomwolken) in solch merkwürdiger Verschränkung zeigen können.

Es ist bis heute (Mitte 2012) nicht wirklich geklärt, wie derartige Verschränkung zustande kommt: Die ursprüngliche Annahme, dass verschränkte Quanten stets aus derselben Quelle stammen, hat sich als nicht haltbar erwiesen (sagt Anton Zeilinger: S.302 in Einsteins Spuk). Auch die Annahme, dass Quanten nicht verschränkt sein können, bevor zwischen ihnen Wechselwirkung stattfand, gilt als widerlegt.

Viele Physiker sind der Ansicht, Verschränkung sei Folge eines Erhaltungssatzes. Offen bleibt, ob sie damit recht haben.

Über gewaltige Fortschritte hin zum gezielten Erzeugen großer Mengen verschränkter Quanten berichtet man 2011. Siehe auch [1], [e], [m] und [3000 Atome].


Verschränkung kann in verschieden hohem Ausmaß vorliegen

Quantenverschränkung kann — auch zur selben Zeit am selben Paar von Quanten — in unterschiedlicher Form vorliegen. Sie kann zudem an andere Paare übertragen werden und hierbei ihre Form wechseln.

Dies macht Verschränkung zu einer  q u a n t i f i z i e r b a r e n  Größe (analog zu Energie, die ja auch in durchaus unterschiedlicher Form und Menge auftreten kann). Eine geeignete Grundeinheit zu finden für das Ausmaß, in dem ein Paar von Objekten, miteinander verschränkt ist — unter Abstraktion von der jeweils vorliegenden  F o r m  solchen Auftretens — ist schon seit etwa 1990 ein als wichtig erkanntes Ziel der Quanteninformatiker.


Verschränkung scheint Energie zu binden

Im März 2015 will David E. Bruschi erkannt haben, dass Quantenverschränkung Energie bindet und mit den Raum krümmt. Er fasst sein Ergebnis zusammen wie folgt:

We investigated a scenario where quantum correlations affect the gravitational field. We show that quantum correlations between particles occupying different positions have an effect on the gravitational field. We find that the small perturbations induced by the entanglement depend on the amount of en­tanglement and vanish for vanishing quantum correlations.

The effects studied in this work decay with a time scale proportional to the characteristic "size" of the particle. Furthermore, relative phase of the coherence term seems to directly affect the strength of the effect.



Wie extrem instabil Quantenverschränkung ist

Zitat: "Im Experiment erzielten die Wissenschaftler eine Verschränkungsdauer von mindestens 2,4 Millisekunden. Das sei zehnfach länger als bei "nackten" Standard-Quantenbits, so Morello und seine Kollegen." (2016)


Was ist Quanten-Teleportation?

Von Quanten-Teleportation spricht man, wenn es gelingt, den Zustand eines Quantums auf ein anderes zu übertragen. Dies impliziert nicht, dass man ihn kennt.

Seit 1998 weiß man, dass sich so auch verschränkte Zustände teleportieren lassen (Details dazu erklärt Anton Zeilinger in seinem Buch Einsteins Spuk ab Seite 302).

Masse oder Energie lässt sich so aber nicht teleportieren.

Auch Information lässt sich so nicht übertragen (da man ja den teleportierten Zustand nicht kennt).

Siehe auch, was Zeilinger dazu sagt.


Was ist Quanten-Kommunikation?

Dazu lese man am besten: Breakthrough in Quantum Communication (Apr 2012) sowie Quantenkommunikation im All (2008).


Wissenswertes zu "Quantenkommunikation, Teleportation, Quantenverschränkung" zusammengestellt durch Gebhard Greiter.
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