Quantenverschränkung in der Physik

Was es bedeutet, wenn zwei Teilchen verschränkt sind

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Quantenverschränkung ist eines der zentralen Prinzipien von Quantenphysik , obwohl es auch sehr missverstanden wird. Kurz gesagt bedeutet Quantenverschränkung, dass mehrere Teilchen so miteinander verbunden werden, dass die Messung des Quantenzustands eines Teilchens die möglichen Quantenzustände der anderen Teilchen bestimmt. Diese Verbindung hängt nicht von der Position der Teilchen im Raum ab. Selbst wenn Sie verschränkte Teilchen um Milliarden von Kilometern voneinander trennen, führt die Änderung eines Teilchens zu einer Änderung des anderen. Obwohl die Quantenverschränkung Informationen augenblicklich zu übertragen scheint, verletzt sie eigentlich nicht die klassische Lichtgeschwindigkeit, da es keine „Bewegung“ durch den Raum gibt.

Das klassische Beispiel der Quantenverschränkung

Das klassische Beispiel der Quantenverschränkung heißt EPR-Paradoxon . Stellen Sie sich in einer vereinfachten Version dieses Falls ein Teilchen mit dem Quantenspin 0 vor, das in zwei neue Teilchen zerfällt, Teilchen A und Teilchen B. Teilchen A und Teilchen B fliegen in entgegengesetzte Richtungen. Das ursprüngliche Teilchen hatte jedoch einen Quantenspin von 0. Jedes der neuen Teilchen hat einen Quantenspin von 1/2, aber weil sie sich zu 0 addieren müssen, ist eines +1/2 und eines -1/2.

Diese Beziehung bedeutet, dass die beiden Teilchen verschränkt sind. Wenn Sie den Spin von Partikel A messen, wirkt sich diese Messung auf die möglichen Ergebnisse aus, die Sie erhalten könnten, wenn Sie den Spin von Partikel B messen. Und dies ist nicht nur eine interessante theoretische Vorhersage, sondern wurde experimentell durch Tests verifiziert Bells Theorem .

Eine wichtige Sache, an die man sich erinnern sollte, ist, dass in der Quantenphysik die ursprüngliche Unsicherheit über den Quantenzustand des Teilchens nicht nur ein Mangel an Wissen ist. Eine grundlegende Eigenschaft der Quantentheorie ist, dass vor dem Akt der Messung das Teilchen wirklich existiert hat nicht einen bestimmten Zustand, sondern befindet sich in einer Überlagerung aller möglichen Zustände. Dies lässt sich am besten durch das klassische Quantenphysik-Gedankenexperiment modellieren, Schrödingers Katze , wo ein quantenmechanischer Ansatz zu einer unbeobachteten Katze führt, die gleichzeitig lebt und tot ist.

Die Wellenfunktion des Universums

Eine Möglichkeit, die Dinge zu interpretieren, besteht darin, das gesamte Universum als eine einzige Wellenfunktion zu betrachten. In dieser Darstellung würde diese „Wellenfunktion des Universums“ einen Begriff enthalten, der den Quantenzustand jedes einzelnen Teilchens definiert. Es ist dieser Ansatz, der die Tür für Behauptungen offen lässt, dass „alles miteinander verbunden ist“, was oft manipuliert wird (entweder absichtlich oder durch ehrliche Verwirrung), um mit Dingen wie dem zu enden Physikfehler drin Das Geheimnis .

Obwohl diese Interpretation bedeutet, dass der Quantenzustand jedes Teilchens im Universum die Wellenfunktion jedes anderen Teilchens beeinflusst, geschieht dies auf eine rein mathematische Weise. Es gibt wirklich kein Experiment, das jemals – nicht einmal im Prinzip – entdecken könnte, dass sich die Wirkung an einem Ort an einem anderen Ort zeigt.

Praktische Anwendungen der Quantenverschränkung

Obwohl die Quantenverschränkung wie bizarre Science-Fiction erscheint, gibt es bereits praktische Anwendungen des Konzepts. Es wird für Weltraumkommunikation und Kryptografie verwendet. Beispielsweise demonstrierte der Lunar Atmosphere Dust and Environment Explorer (LADEE) der NASA, wie die Quantenverschränkung zum Hoch- und Herunterladen von Informationen zwischen dem Raumfahrzeug und einem bodengestützten Empfänger verwendet werden kann.

Bearbeitet vonAnne Marie Helmenstine, Ph.D.