Quantenverschränkung: Wenn aus zwei Teilchen eins wird!

Quantenverschränkung im Licht

L'Quantenverschränkungist ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen so verbunden werden, dass die Quanteneigenschaften des einen unmittelbar von den Eigenschaften des anderen abhängen, unabhängig vom Abstand zwischen ihnen.

Dieses Phänomen wirft eine Frage in Bezug auf die klassischen Prinzipien aufEinsteins spezielle Relativitätstheorie, die besagt, dass sich im Vakuum nichts schneller als Licht bewegen kann und es daher nicht möglich ist, Informationen sofort über große Entfernungen zu senden.

Wie können wir also erklären, dass sich zwei Teilchen in einer Überlagerung verschränkter Zustände bezüglich unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften (Energie, Impuls, Polarisation, Spin usw.) befinden können und dass die Messung des einen sofort den Zustand des anderen definiert, unabhängig von der Entfernung, die sie voneinander trennt?

Bezüglich derEnergie zweier verschränkter PhotonenWenn ein einzelnes hochenergetisches Photon \( E_0 \) in zwei niederenergetische Photonen \( E_1 \), \( E_2 \) umgewandelt wird, bedeutet die Energieerhaltung: \( E_0 \)=\( E_1 \)+\( E_2 \) Somit wirkt sich jede Messung der Energie eines der Photonen sofort auf das andere Photon aus.

Beispiel zur Polarisation eines Paares verschränkter Photonen

Mit einem speziellen Kristall kann man etwas erschaffenzwei verschränkte Photonen.

Ein einzelnes Photon (ω_P) dringt in den Kristall ein und spaltet sich in zwei neue verschränkte Photonen (ω) auf_Sund ω_C). Diese beiden verschränkten Photonen haben eine gemeinsame Quanteneigenschaft: diePolarisation. Mit anderen Worten: Sie behalten eine Quantenkorrelationsbeziehung bei und die Summe ihrer jeweiligen Frequenzen entspricht der Frequenz des anfänglichen Photons (ω)._P=ω_S+ω_C).

Das System kann in einem der möglichen Zustände der Quantenüberlagerung beschrieben werden: \( |HH\rangle \) + \( |HV\rangle \) + \( |VH\rangle \) + \( |VV\rangle \)

Überlagern wir nur die beiden Zustände: \( |HV\rangle \) + \( |VH\rangle \), dann befinden sich die beiden Teilchen in einem verschränkten Zustand.

\[ |\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |H\rangle_A |V\rangle_B + |V\rangle_A |H\rangle_B \right) \]

• A und B bezeichnen die beiden getrennten Photonen.
• \( |H\rangle \) repräsentiert ein horizontal polarisiertes Photon.
• \( |V\rangle \) repräsentiert ein vertikal polarisiertes Photon.
• \( |\psi\rangle \) bezeichnet den Quantenzustand des Systems (Dirac-Notation).
• \( |H\rangle_A |V\rangle_B \) repräsentiert polarisierte Zustände.

Was bedeutet diese Formel?

Dies bedeutet, dass dieGesamtzustandDie Funktionsweise des Systems kann nicht einfach durch den Zustand jedes einzelnen Teilchens beschrieben werden, sondern durch eine einzelne Wellenfunktion, die beide Teilchen gleichzeitig umfasst.

In unserem Beispiel,Photonen haben vor der Messung keine definierte Polarisation, aber ihre Polarisation ist korreliert: Wenn wir ein Photon messen und es horizontal polarisiert ist (����), dann ist das andere vertikal polarisiert (����) und umgekehrt.

Die Wechselwirkung zwischen zwei verschränkten Teilchen im Kontext der Quantenverschränkung kann nicht als „klassische Kommunikationin dem Sinne, wie wir es verstehen, also ein Signal oder eine Information, die den Raum mit einer bestimmten Geschwindigkeit durchquert.

Die Eigenschaften jedes einzelnen Partikels werden vor der Messung nicht definiert; „wirklich“ werden sie erst im Moment der Messung. Die Tatsache, dass die Messergebnisse auch aus der Ferne sofort korrelieren, verstößt nicht gegen die Relativitätstheorie, da tatsächlich keine Informationen gesendet werden. Es handelt sich einfach um ein Korrelationsphänomen zwischen den Zuständen der beiden Teilchen, die durch ihren gemeinsamen Verschränkungszustand voneinander abhängig sind.

Hinweis: Die Wellenfunktion stellt keine objektive physikalische Realität dar, sondern lediglich unser Wissen über das System. Der Quantenzustand hat vor der Messung keine definierten Eigenschaften.

Zusammenbruch der Wellenfunktion

Wenn ein Beobachter Teilchen A misst, bricht die Wellenfunktion sofort zusammen und Teilchen B nimmt einen korrelierten Zustand an, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Diese Korrelation erfolgt augenblicklich, bedeutet jedoch nicht, dass eine Informationsübertragung erfolgt, da das Ergebnis zufällig bleibt.

Stellen Sie sich zwei Beobachter vor, Alice und Bob, die sich ein Paar verschränkter Teilchen teilen. Alice misst ihr Teilchen und erhält ein Ergebnis (+1 oder -1 zum Beispiel). Wenn Bob seine eigenen Werte misst, erhält er immer ein Ergebnis, das mit dem von Alice korreliert. Aber Alice kann sich ihr Ergebnis nicht aussuchen. Es kann daher eine Nachricht nicht durch Manipulation des Zustands seines Partikels kodieren. Die Messergebnisse sind grundsätzlich zufällig, so dass keine Kontrolle möglich ist.

Hinweis: Der Zusammenbruch der Wellenfunktion erfolgt augenblicklich, stellt jedoch keine echte physikalische Aktion dar, sondern lediglich eine Aktualisierung der Informationen des Beobachters.

Nicht-lokale Korrelation

Die Quantenverschränkung basiert auf einem grundlegenden Phänomen der Quantenmechanik.nicht-lokale Korrelation.

Nichtlokale Korrelation ist ein experimentell nachgewiesenes Phänomen; es ermöglicht keine schnellere Übertragung nutzbarer Informationen als mit Licht. Es zeigt lediglich, dass die Quantenmechanik die klassischen Intuitionen über Lokalität und Realismus verletzt.

Die lokale Variable: Kausalität und Geschwindigkeitsbegrenzungen

Eine lokale Variable ist eine interne Eigenschaft eines Systems, die nur durch lokale Wechselwirkungen beeinflusst wird, also durch Ursachen, die in seiner unmittelbaren Umgebung liegen und die relativistische Kausalität respektieren.

• Hängt ausschließlich von Interaktionen in seiner unmittelbaren Umgebung ab.
• Wird nur durch Signale beeinflusst, die die Lichtgeschwindigkeitsgrenze (c) einhalten.
• Respektiert die relativistische Kausalität: Kein Einfluss kann sich sofort ausbreiten.

Die nichtlokale Variable: jenseits der Lichtgeschwindigkeit

Eine nichtlokale Variable ist eine Eigenschaft eines Systems, die unabhängig von der Entfernung sofort von einem an anderer Stelle auftretenden Ereignis beeinflusst werden kann.

• Kann sofort durch ein entferntes Ereignis beeinflusst werden.
• Scheint die Grenze der Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten.
• Dies bedeutet, dass sich der Zustand eines Teilchens aufgrund einer Messung eines anderen Teilchens sofort ändern kann, selbst wenn diese nur Lichtjahre voneinander entfernt sind.

Hinweis: Die Lichtgeschwindigkeit spielt eine grundlegende Rolle bei der Unterscheidung zwischen lokaler Variable und nichtlokaler Variable, da sie der Ausbreitung physikalischer Einflüsse eine Grenze setzt.