Quantenverschränkung – die Natur kann beamen


Sie ist eines der seltsamsten Phänomene in unserer Welt und gibt den Physikern immer noch Rätsel auf, die Quantenverschränkung. Man spricht von Quantenverschränkung, wenn die Zustände von zwei oder mehr Teilchen nicht voneinander unabhängig sind und das auch über beliebig große Entfernungen hinweg. So wechselt beispielsweise der Spin zweier verschränkter Elektronen simultan, wenn auf eines der Elektronen Energie übertragen wird, unabhängig davon, wo sich diese beiden Elektronen gerade befinden. Diese Tatsache brachte Einstein 1935 dazu, die Quantenverschränkung als „spukhafte Fernwirkung“ zu bezeichnen und vehement abzulehnen, verstieß sie doch seiner Meinung nach gegen die allgemeine Relativitätstheorie. Nach Einsteins berühmter und allgemein anerkannter Theorie kann nichts, auch keine Information schneller als das Licht reisen. Wenn nun aber zwei Teilchen über beliebig große Strecken miteinander verbunden sein können, dann stellt dies auf den ersten Blick eine Informationsübertragung dar und steht damit im krassen Widerspruch zur Relativitätstheorie.

Obwohl die Quantenmechanik die Verschränkung bei beliebigen Teilchen vorhersagt und zulässt, wird ein Großteil der Experimente auf diesem Forschungsgebiet aktuell mit Photonen bestritten. Ein übliches Verfahren ist es, mithilfe eines hochenergetischen Lasers in einem Kristall Elektronen anzuregen. Wenn diese Elektronen wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurückfallen, emittieren sie eine Reihe niederenergetischer, verschränkter Photonen. Diese kann man auffangen und experimentell nutzen. Bei diesen so erzeugten Photonen ist die Polarisation im obigen Sinne verschränkt.
Dieser physikalische Effekt führt zu einigen sehr interessanten Anwendungsfeldern.

  1. In sehr nah liegender Zukunft werden wir mit gekoppelten Elektronen neuartige Computer bauen können, die alle bisherigen Technologien, was Rechenleistung angeht, in den Schatten stellen wird.

    Theoretisch können diese Quantencomputer, die völlig anders wie unsere heutigen Computer aufgebaut sind und wahrscheinlich auf Kristallen basieren werden, Aufgaben hochgradig parallel bearbeiten und das instantan, d. h. ohne auf die auf Lichtgeschwindigkeit beschränkte Stromleitung angewiesen zu sein. Wir werden Quantencomputer sehen, die wie neuronale Netzen aufgebaut sind. Man spricht dann von sogenannten neuromorphen Computern und mit dieser Technologie werden sich völlig neue Gebiete in der künstlichen Intelligenz erschließen lassen.
  2. Es ist quantenmechanisch möglich, den Zustand eines Teilchens auf ein anderes Teilchen zu übertragen. Wenn dieses zweite Teilchen nun einen quantenverschränkten Klon besitzt, dann wird der Zustand auch auf dieses Teilchen übertragen. Und das, egal wo sich dieses Teilchen gerade befindet. Damit wäre also das durch die Fernsehserie Star Trek bekannt gewordene Beamen physikalisch möglich. Man müsste nur irrsinnig große Mengen an verschränkten Teilchen auf Vorrat erzeugen und in den beiden Teleportern bevorraten. Sicher eine Anwendung der Quantenverschränkung, die noch in einer sehr fernen Zukunft liegt.

Wie schon erwähnt, sagt die Quantenmechanik dieses unvorstellbare Verhalten kleinster Teilchen vorher und es ist auch experimentell nachgewiesen. Wirklich verstehen können wir es jedoch nicht, denn wie sollen zwei Teilchen, zwischen denen in unserer Wahrnehmung keine Verbindung besteht, sich so verhalten können? Die Physiker suchen also nach Erklärungen für diese Frage, aber mehr als vage Theorien gibt es bisher nicht. Eine davon besagt, dass diese Teilchen in einer höheren Dimension ein Teilchen sein könnten. Ein andere gibt der quantenmechanischen Wellenfunktion einen nicht-lokalen Charakter. Nichts davon ist aber derzeit experimentell nachgewiesen. Es bleibt also noch viel zu tun, bis wir in einen Kasten steigen können und mit Kind und Kegel diesen in Mallorca wieder verlassen.


Für alle, die tiefer in das Thema einsteigen wollen, kann ich die folgende populärwissenschaftliche, aber dafür gut verständliche Dokumentation von Arte empfehlen.

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