Die Messung ist der Akt, Informationen über etwas zu gewinnen. Etwas auf einer Waage zu wiegen ist eine Messung. Etwas zu berühren und eine Kraft zu spüren ist eine Messung.
Das ist tiefer, als es scheint. Im Kern wurden alle Informationen, die wir über die Welt haben, irgendwie gemessen. Wir wissen nur, was wir messen können. Messen ist Wissen.
Wir messen ständig
Alle Konzepte, die wir haben – „Objekt“, „Teilchen“, „Ding“ – sind nur Worte für Muster, die wir in Messungen gefunden haben. Tatsächlich ist Sehen eine Messung: Wir messen die Photonen, die in unsere Augen treffen!
Üblicherweise messen wir bei physischen Objekten wie Bällen ständig. Wir berühren ihn, oder Photonen berühren ihn und treffen unsere Augen. Wenn wir ihn nicht messen, tut es meist etwas anderes. Luftmoleküle treffen ihn und reagieren.
Wenn nichts misst
Es gibt jedoch Dinge wie Elektronen, die klein genug sind, um der ständigen Messung zu entgehen. So begannen Wissenschaftler:innen Anfang des 20. Jahrhunderts eine merkwürdige Frage zu stellen: Haben kleine Objekte wie Elektronen definierte Eigenschaften (wie Position), wenn sie NICHT gemessen werden?
Die Antwort war, schockierenderweise: nein. Daher erfanden Physiker:innen die Quantenmechanik, um die Eigenschaften eines Objekts zu beschreiben, wenn nichts es misst. Zwischen Messungen hat ein Elektron keine einzelne, definierte Position. Es existiert als Mischung von Möglichkeiten. Erst die Messung zwingt das Objekt zu einer eindeutigen Antwort.
Ein einfaches Beispiel: Elektronenspin
Zur Veranschaulichung zeige ich Ihnen das Konzept in einem sehr einfachen, kontrollierbaren Quantensystem: dem Elektronenspin. Natürlich gibt es viele Quanteneigenschaften in der Welt: Elektronenposition, Elektronengeschwindigkeit, Lichtwellenlänge. Aber all das ist sehr komplex und man verliert leicht den Faden, weil jede dieser Eigenschaften unendlich viele Messergebnisse haben kann! Etwa können wir die Position eines Elektrons messen und feststellen, dass es auf Ihrem Finger, Ihrem Laptop oder irgendwo dazwischen ist.
Im Gegensatz dazu ist der Elektronenspin ein binärer Zustand: Wenn wir ihn messen, kann er nur „auf“ oder „ab“ sein, niemals dazwischen. Das wurde im legendären Stern-Gerlach-Experiment von 1922 entdeckt. Daher arbeiten wir damit. Das macht die Konzepte deutlich einfacher.
Unten ist ein einzelnes Elektron in seinem Spin-Zustand. Sie können zwei Dinge damit tun: einen Laser darauf schießen, um es zwischen „auf“ und „ab“ zu treiben, oder es messen und das Ergebnis ablesen.
Halten Sie den Laser gedrückt, um das Elektron kontinuierlich zwischen „auf“ und „ab“ zu treiben. Die Wahrscheinlichkeit jedes Ergebnisses wird exakt dadurch bestimmt, wie lange Sie den Laser hielten, auch wenn das Messergebnis weiterhin zufällig ist. Der Zwischenzustand ist bekannt. Er ist nur nicht messbar, bis Sie messen.
Superposition
Superposition ist der Name für jene Mischung von Möglichkeiten, die zwischen Messungen existiert.
Bevor wir messen, kann ein Elektron „überwiegend auf“ oder „halb auf und halb ab“ sein – und das hat nichts mit unserer Unwissenheit zu tun. Es ist nicht so, dass wir den Spin noch nicht kennen. Es gibt schlicht noch keinen einzelnen Spin. Die Messung erzeugt einen.
Ein nützliches Bild ist eine sich drehende Münze. Während des Flugs ist die Münze weder Kopf noch Zahl. Sie ist eine reale, physische Kombination aus beidem, und der Moment, in dem Ihre Hand sie auf den Tisch schlägt, ist der Moment, in dem sie zu einem von beidem wird. Quanten-Superposition ist ähnlich, nur dass der „Flug“ der natürliche Zustand eines Elektrons ist, wenn nichts es berührt.
Das ist es, was Quantencomputern ihren Vorteil verschafft. Ein normales Bit wählt 0 oder 1. Ein Qubit kann eine Superposition von 0 und 1 halten, mit spezifischen Gewichten für jedes. Lassen Sie viele Qubits zusammenwirken, und sie erkunden viele Kombinationen gleichzeitig.