Abstrakter Hintergrund mit Ranken und Partikeln. gremlin/iStock
Wenn Sie etwas über Quantenmechanik wissen, haben Sie wahrscheinlich schon einmal von Quantenverschränkung gehört. Dieses Merkmal der Quantenmechanik ist eine der außergewöhnlichsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts und einer der vielversprechendsten Forschungswege für FortgeschritteneTechnologien in Kommunikation, Computer und mehr.
Aber was ist Quantenverschränkung und warum ist sie so wichtig? Warum ist sie ausgeflippt?Albert Einstein aus? Und warum scheint es eines der wichtigsten Gesetze der Physik zu verletzen?
Was ist Quantenverschränkung in einfachen Worten?
Jedes Mal, wenn Sie über Quantenmechanik diskutieren, werden die Dinge kompliziert, und Quantenverschränkung ist nicht anders.
Das erste, was man verstehen muss, ist, dass Teilchen in einem Zustand der „Überlagerung“ existieren, bis sie beobachtet werden. In einer sehr verbreiteten Demonstration sind die Quantenteilchen, die als Qubits in einem Quantencomputer verwendet werden, beide 0 und 1 gleichzeitig, bis sie beobachtet werden, wodurch sie scheinbar zufällig zu 0 oder 1 werden.
Einfach ausgedrückt ist Quantenverschränkung, wenn zwei Teilchen so erzeugt werden oder interagieren, dass die Schlüsseleigenschaften dieser Teilchen nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können.
Zum Beispiel, wenn zwei Photonen erzeugt und verschränkt werden, ein Teilchen kann eine Drehung im Uhrzeigersinn auf einer Achse haben, so dass die andere notwendigerweise eine Drehung gegen den Uhrzeigersinn auf derselben Achse hat.
An und für sich ist das nicht so radikal. Aber weil Teilchen in der Quantenmechanik auch als Wellenfunktionen beschrieben werden können, sagt man, dass die Messung des Spins eines Teilchens seine Wellenfunktion „kollabiert“, um diese messbare Eigenschaft zu erzeugenwie von 0 und 1 zu nur 0 oder nur 1 zu gehen.
Wenn Sie dies jedoch mit verschränkten Teilchen tun, kommen wir zum wirklich unglaublichen Teil der Quantenverschränkung. Wenn Sie ein verschränktes Teilchen messen, um seinen Spin entlang einer Achse zu bestimmen und seine Wellenfunktion zu kollabieren, kollabiert auch das andere Teilchen, um die zu erzeugenmessbare Eigenschaft des Spins, obwohl Sie das andere Teilchen nicht beobachtet haben.
Wenn ein Paar verschränkter Teilchen beide 0 und 1, und Sie messen ein Teilchen als 0, das andere verschränkte Teilchen kollabiert automatisch, um eine 1 zu erzeugen, ganz von selbst und ohne Interaktion des Beobachters.
Das scheint zu passieren sofort und unabhängig von ihrer Entfernung voneinander, was ursprünglich zu dem paradoxen Schluss führte, dass die Information über den Spin des gemessenen Teilchens irgendwie schneller als sogar mit Lichtgeschwindigkeit an seinen verschränkten Partner übertragen wird.
Ist Quantenverschränkung real?
Quantenverschränkung ist nicht nur real, sondern auch ein wichtiger Bestandteil neuer Technologien wie Quantencomputing und Quantenkommunikation.
Wie können Sie beim Quantencomputing mit Qubits in einem Quantenprozessor arbeiten, ohne sie zu beobachten und sie daher in einfache alte digitale Bits zu zerlegen? Wie erkennen Sie Fehler, ohne sich die Qubits anzusehen und den gesamten Mechanismus zu zerstören, der Quantencomputing so leistungsfähig macht?
Die Quantenverschränkung mehrerer Teilchen hintereinander ist entscheidend, um genügend Abstand zwischen Qubits und der Außenwelt zu schaffen, damit die lebenswichtigen Qubits lange genug in Überlagerung bleiben, damit sie Berechnungen durchführen können.
Quantenkommunikation ist ein weiteres Forschungsgebiet, das hofft, die Vorteile der Quantenverschränkung zu nutzen, um die Kommunikation zu erleichtern, obwohl dies nicht bedeutet, dass eine schnellere als Lichtkommunikation am Horizont ist tatsächlich ist eine solche Technologie wahrscheinlich unmöglich.
Sind alle Teilchen verschränkt?
Bis zu einem gewissen Grad, ja.
Wenn die meisten Menschen über Quantenverschränkung sprechen, verwenden sie ein Beispiel von zwei verschränkten Teilchen, die sich auf eine bestimmte Weise verhalten, um das Phänomen zu demonstrieren, aber dies ist in hohem Maße eine Vereinfachung eines unglaublich komplexen Quantensystems.
Die Realität ist, dass ein bestimmtes Teilchen mit vielen verschiedenen Teilchen in unterschiedlichem Maße verschränkt sein kann, nicht nur im „maximal verschränkten“ Zustand, in dem zwei Teilchen eins zu eins miteinander und nur miteinander korreliert sind.
Deshalb garantiert das Messen eines Teils eines verschränkten Paares nicht automatisch, dass Sie den Zustand des anderen Teilchens in realen Anwendungen kennen, da dieses andere Teilchen auch andere Verschränkungen hat, die es aufrechterhält. Es gibt Ihneneine bessere als zufällige Chance, den Zustand des anderen Partikels zu kennen.
Wer hat die Quantenverschränkung entdeckt?
Quantenverschränkung, oder zumindest die Prinzipien, die das Phänomen beschreiben, wurde zuerst von Einstein und seinen Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen in einem Artikel in der Zeitschrift von 1935 vorgeschlagen Physische Überprüfung mit dem Titel „Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete.“ Darin diskutierten Einstein, Podolsky und Rosen, dass eine besonders starke Korrelation von Quantenzuständen zwischen Teilchen dazu führen kann, dass sie einen einzigen einheitlichen Quantenzustand haben.
Sie stellten auch fest, dass dieser einheitliche Zustand dazu führen kann, dass die Messung eines stark korrelierten Teilchens eine direkte Auswirkung auf das andere stark korrelierte Teilchen hat, ohne Rücksicht auf den Abstand zwischen den beiden Teilchen.
Der Zweck des Einstein-Podolsky-Rosen-Artikels war nicht, die „Entdeckung“ der Quantenverschränkung per se anzukündigen, sondern eher dieses beobachtete und diskutierte Phänomen zu beschreiben und zu argumentieren, dass es eine fehlende Komponente von geben mussQuantenmechanik, die noch nicht entdeckt wurde.
Da das starke Korrelationsphänomen, das sie beschrieben, gegen Gesetze verstößt, die in festgelegt wurdenEinsteins Relativitätstheorie und schien paradox zu sein, argumentierte das Papier, dass es etwas anderes geben muss, das den Physikern fehlte, das das Quantenreich richtig unter den Schirm der Relativitätstheorie stellen würde. Dieses „etwas andere“ wurde fast ein Jahrhundert später immer noch nicht gefunden.
Die erste Verwendung des Wortes "Verschränkung" zur Beschreibung dieses Phänomens stammt von Erwin Schrödinger, der es als eines der grundlegendsten Merkmale der Quantenmechanik erkannte und argumentierte, dass es kein Rätsel sei, das bald unter der Relativitätstheorie gelöst werden würde, abereher eine starke Abkehr von der klassischen Physik.
Was hat Einstein über Quantenverschränkung gesagt?
Berühmt ist, dass Einstein die Quantenverschränkung als „gespenstische Fernwirkung“ beschrieb, aber er beschrieb sie tatsächlich als mehr als nur eine seltsame Eigenart gespenstischer Teilchen mit sofortiger Kenntnis voneinander.
Einstein sah die Quantenverschränkung tatsächlich als mathematisches Paradoxon an, einen inhärenten Widerspruch in der mathematischen Logik, der zeigt, dass etwas an den vorgebrachten Argumenten falsch sein muss.
Im Fall des Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxons, wie es später genannt wurde, wird argumentiert, dass die Grundregeln der Quantenmechanik vollständig bekannt sind und dass die allgemeine Relativitätstheorie gültig ist. Wenn die allgemeine Relativitätstheorie gültig ist, dann ist nichts drindas Universum kann schneller reisen als die Lichtgeschwindigkeit, das sich mit 186.000 Meilen pro Sekunde bewegt.
Wenn die Quantenmechanik vollständig verstanden wäre, dann wären die Regeln für die starke Korrelation zwischen Teilchen vollständig und unsere Beobachtungen sagen uns alles, was wir wissen müssen.
Da Quantenteilchen "aus dem Universum" sind, sollten sie wie alles andere von der Lichtgeschwindigkeit bestimmt werden, aber die Quantenverschränkung scheint nicht nur Informationen zwischen Teilchen auszutauschen, die theoretisch an entgegengesetzten Enden des Universums sein könnten. Sogarseltsamer, diese Informationen könnten sogar reisen hin und her durch die Zeit.
Die Quantenverschränkung durch die Zeit hätte alle möglichen Auswirkungen auf die Natur der Kausalität, die ein so grundlegendes Gesetz der Physik ist, wie es nur geht. Es funktioniert nicht umgekehrt, Effekte können ihrer Ursache nicht vorausgehen, abereinige Wissenschaftler glauben, dass diese Regeln für das Quantenreich möglicherweise nicht mehr gelten als die Lichtgeschwindigkeit.
Dieser letzte Punkt ist immer noch größtenteils spekulativ, aber er hat eine gewisse experimentelle Grundlage und verkompliziert nur das Paradoxon, das Einstein, Podolsky und Rosen in ihrer Arbeit von 1935 vorgeschlagen haben.
Warum ist Quantenverschränkung wichtig?
Quantenverschränkung ist aus zwei Hauptgründen wichtig.
Erstens ist die Quantenverschränkung ein so grundlegender Mechanismus der Quantenwelt, während sie gleichzeitig einer ist, mit dem wir direkt interagieren und den wir beeinflussen können. Sie könnte eine Schlüsselmethode darstellen, um einige der grundlegendsten Eigenschaften des Universums zu nutzen, um unsere Technologie voranzutreibenneue Höhen.
Wir wissen, wie man Teilchen verschränkt, und tun dies regelmäßig sowohl in Labors als auch in realen Anwendungen wie Quantencomputern. Insbesondere Quantencomputer demonstrieren das Potenzial von Quantenmechanik in der modernen Technologie, und Quantenverschränkung ist das beste Werkzeug, das wir haben, um die Quantenmechanik auf diese Weise tatsächlich zu nutzen.
Der andere Hauptgrund, warum die Quantenverschränkung wichtig ist, ist, dass sie ein Wegweiser ist, dass zeigt auf etwas wirklich Grundlegendes über unser Universum. Es ist eine so klare Demonstration, wie Sie bekommen können, dass die Quantenwelt fast eine reine Form des Universums als diejenige, die wir sehen können und die Gesetzen gehorcht, die wir erklären können.
Wenn das ganze Universum eine Bühne ist und die Materie die Akteure, dann kann die Quantenverschränkung – und die Quantenmechanik im weiteren Sinne – die Seilführung sein, die die Vorhänge hebt, die Schalter, die das Licht ein- und ausschalten, oder sogar die Kostümedie Schauspieler tragen.
Wenn wir uns ein Stück ansehen, gibt es zwei Möglichkeiten, es zu würdigen. Sie können am Theater und den Versatzstücken vorbeisehen, um die Geschichte zu würdigen, die das Stück vermittelt, oder Sie können die Qualität der Aufführung, der Inszenierung und derHinrichtung.
Sie könnten zwei sehr unterschiedliche Dinge sehen, wenn Sie sich genau dieselbe Aufführung ansehen, und die Quantenmechanik scheint uns eine andere Art zu geben, dasselbe Universum zu sehen, das wir immer gesehen haben, und Quantenverschränkung könnte der Schlüssel sein, der uns hinter die Bühne bringt.