Quantenphysiker machen unglaubliche Dinge: Sie teleportieren einzelne Teilchen von einem Ort zum anderen, sie nutzen Kryptographiesysteme, die absolut sicher sind, und sie arbeiten an den Grundlagen für superschnelle Quantencomputer. Für all diese Spezialanwendungen nutzen die Physiker eine besondere Eigenschaft der kleinsten Teilchen: die so genannte Verschränkung. Wenn zwei Teilchen miteinander verschränkt sind, dann besteht eine besonders enge Beziehung zwischen ihnen. Sie können ohne Zeitverlust miteinander kommunizieren, ganz egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Das heißt: auch wenn Kilometer oder Lichtjahre zwischen ihnen liegen, können sie unmittelbar auf das reagieren, was mit ihren Partner-Teilchen geschieht. Joseph Eberly von der Rochester Universität in New York.
"Das war eine der Eigenschaften der Quantentheorie, die Albert Einstein inakzeptabel fand. In der Quantentheorie sind die einzelnen Objekte - zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen - nicht real in dem Sinne wie wir es aus der Alltagserfahrung kennen."
Ein klassisches Experiment besteht darin, zwei verschränkte Teilchen an unterschiedliche Orte zu transportieren und dort jeweils gleichzeitig ihren so genannten Spin zu messen. Das bedeutet: man betrachtet die Teilchen als winzige Magneten, die entweder nach oben oder nach unten zeigen können. Bei der Messung stellt sich dann heraus, dass die winzigen Magneten stets in entgegen gesetzte Richtungen zeigen, egal wie oft man die Messung wiederholt. Die Teilchen wissen also, ob ihr Partner jeweils nach unten oder nach oben zeigt. Es ist, als bildeten sie ein gemeinsames Objekt, obwohl sie doch weit voneinander entfernt sind.
Diese geheimnisvolle Verschränkung kann aber auch verloren gehen. Wenn eines der beiden Partner-Teilchen mit einem anderen Teilchen in seiner Umgebung in Berührung kommt, ändert sich das Verhältnis der Partner, und es kann zur Trennung kommen. Gemeinsam mit seinem Kollegen Ting Yu vom Stevens Institute of Technology in New Jersey hat sich Joseph Eberly sehr intensiv mit diesem Verschwinden der Verschränkung befasst, und er hat dabei eine Überraschung erlebt.
"Üblicherweise erwartet man beim Verschwinden von Objekten ein Zerfallsgesetz mit Halbwertszeit. Das gilt für alle Prozesse von der Biologie bis zur Radioaktivität: Nach einer gewissen Zeit ist nur noch die Hälfte der ursprünglichen Substanz übrig. Auch das Verhalten einzelner Atome lässt sich mit den entsprechenden exponentiellen Formeln beschreiben, etwa wenn sie Licht ausstrahlen. Aber für verschränkte Teilchenpaare gilt diese Regel erstaunlicherweise nicht. Das wäre nicht weiter schlimm, wenn die Verschränkung langsamer verschwinden würde als das Zerfallsgesetz es vorschreibt. Sie tut es aber schneller!"
Die beiden Quantenphysiker haben also Fälle entdeckt, bei denen die Verschränkung zweier Teilchen - also ihre sehr innige Beziehung - sehr abrupt endet. Sie haben dafür nun den Begriff "Plötzlicher Verschränkungstod" geprägt. Eine dramatische Vokabel für ein dramatisches Problem: Bislang entzieht sich dieser Prozess komplett dem Verständnis der Physiker. Eine theoretische Beschreibung oder Vorhersage ist bislang nicht möglich, denn in manchen Experimenten tritt der "plötzliche Verschränkungstod" ein, in anderen hingegen nicht. Möglicherweise müssen die Physiker sich nun sehr grundlegende Fragen über den Zusammenhalt der Materie noch einmal ganz von vorne stellen.
""Das ist eine interessante Frage, über die Physiker ziemlich hitzig diskutieren können. Manche glauben, dass ein tieferes Nachdenken über die Natur der Dinge und die Interpretation der Quantentheorie zu einem tieferen Verständnis führt. Andere hingegen sagen, dass man in der Physik nicht lange philosophieren sollte. Letzteres ist auch meine Meinung, auch wenn sie vielleicht ein wenig aus der Mode gekommen ist. Ich gehöre zu den Anhängern der 'Shut up and Calculate'-Philosophie. Halt die Klappe und rechne es aus. Es lohnt sich nicht zu spekulieren. Wir sollten die Quantentheorie ausschließlich nutzen, um die Dinge zu berechnen. Und wenn wir das konsequent genug tun, werden wir die richtigen Antworten finden."
Die Quantenphysiker werden also bis auf weiteres ihren erprobten mathematischen Werkzeuge vertrauen und sich auf diese Weise weiterhin an der Grenze des Unverstandenen entlang hangeln. Der "Plötzliche Verschränkungstod" wird dabei seinen Schrecken so schnell nicht verlieren.
"Das war eine der Eigenschaften der Quantentheorie, die Albert Einstein inakzeptabel fand. In der Quantentheorie sind die einzelnen Objekte - zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen - nicht real in dem Sinne wie wir es aus der Alltagserfahrung kennen."
Ein klassisches Experiment besteht darin, zwei verschränkte Teilchen an unterschiedliche Orte zu transportieren und dort jeweils gleichzeitig ihren so genannten Spin zu messen. Das bedeutet: man betrachtet die Teilchen als winzige Magneten, die entweder nach oben oder nach unten zeigen können. Bei der Messung stellt sich dann heraus, dass die winzigen Magneten stets in entgegen gesetzte Richtungen zeigen, egal wie oft man die Messung wiederholt. Die Teilchen wissen also, ob ihr Partner jeweils nach unten oder nach oben zeigt. Es ist, als bildeten sie ein gemeinsames Objekt, obwohl sie doch weit voneinander entfernt sind.
Diese geheimnisvolle Verschränkung kann aber auch verloren gehen. Wenn eines der beiden Partner-Teilchen mit einem anderen Teilchen in seiner Umgebung in Berührung kommt, ändert sich das Verhältnis der Partner, und es kann zur Trennung kommen. Gemeinsam mit seinem Kollegen Ting Yu vom Stevens Institute of Technology in New Jersey hat sich Joseph Eberly sehr intensiv mit diesem Verschwinden der Verschränkung befasst, und er hat dabei eine Überraschung erlebt.
"Üblicherweise erwartet man beim Verschwinden von Objekten ein Zerfallsgesetz mit Halbwertszeit. Das gilt für alle Prozesse von der Biologie bis zur Radioaktivität: Nach einer gewissen Zeit ist nur noch die Hälfte der ursprünglichen Substanz übrig. Auch das Verhalten einzelner Atome lässt sich mit den entsprechenden exponentiellen Formeln beschreiben, etwa wenn sie Licht ausstrahlen. Aber für verschränkte Teilchenpaare gilt diese Regel erstaunlicherweise nicht. Das wäre nicht weiter schlimm, wenn die Verschränkung langsamer verschwinden würde als das Zerfallsgesetz es vorschreibt. Sie tut es aber schneller!"
Die beiden Quantenphysiker haben also Fälle entdeckt, bei denen die Verschränkung zweier Teilchen - also ihre sehr innige Beziehung - sehr abrupt endet. Sie haben dafür nun den Begriff "Plötzlicher Verschränkungstod" geprägt. Eine dramatische Vokabel für ein dramatisches Problem: Bislang entzieht sich dieser Prozess komplett dem Verständnis der Physiker. Eine theoretische Beschreibung oder Vorhersage ist bislang nicht möglich, denn in manchen Experimenten tritt der "plötzliche Verschränkungstod" ein, in anderen hingegen nicht. Möglicherweise müssen die Physiker sich nun sehr grundlegende Fragen über den Zusammenhalt der Materie noch einmal ganz von vorne stellen.
""Das ist eine interessante Frage, über die Physiker ziemlich hitzig diskutieren können. Manche glauben, dass ein tieferes Nachdenken über die Natur der Dinge und die Interpretation der Quantentheorie zu einem tieferen Verständnis führt. Andere hingegen sagen, dass man in der Physik nicht lange philosophieren sollte. Letzteres ist auch meine Meinung, auch wenn sie vielleicht ein wenig aus der Mode gekommen ist. Ich gehöre zu den Anhängern der 'Shut up and Calculate'-Philosophie. Halt die Klappe und rechne es aus. Es lohnt sich nicht zu spekulieren. Wir sollten die Quantentheorie ausschließlich nutzen, um die Dinge zu berechnen. Und wenn wir das konsequent genug tun, werden wir die richtigen Antworten finden."
Die Quantenphysiker werden also bis auf weiteres ihren erprobten mathematischen Werkzeuge vertrauen und sich auf diese Weise weiterhin an der Grenze des Unverstandenen entlang hangeln. Der "Plötzliche Verschränkungstod" wird dabei seinen Schrecken so schnell nicht verlieren.