Quantenverschränkung ist das seltsamste Konzept im Universum. Es ist die Fähigkeit zweier oder mehr Objekte, voneinander abhängig zu sein, ohne messbare Verbindung zwischen ihnen, nicht einmal Licht.
Aber sie ist auch keine magische, pseudowissenschaftliche Kraft. Hier ist, wie Verschränkung wirklich funktioniert, damit Sie selbst urteilen können.
Definition
Verschränkung ist eine Abhängigkeit zwischen zwei Quantenmessungen.
Hinweis: nichts verbindet die beiden, nicht einmal Licht wandert zwischen ihnen.
Probieren Sie es selbst aus
Unten ist eine Demonstration zweier verschränkter Qubits, die zwischen Alice und Bob geteilt werden. Versuchen Sie, ihre Qubits zu „messen“, um ein Muster zu finden!
No measurements yet.
No measurements yet.
Whichever basis you measure in, Alice and Bob always come out opposite.
Was haben Sie entdeckt? Zwei Erkenntnisse:
1. Wenn Sie in dieselbe Richtung an beiden Qubits messen, zeigen sie immer in entgegengesetzte Richtungen. Woher weiß Bobs Qubit, was Alice bekam, und umgekehrt? Das ist das Spukhafte daran. Wir können beweisen, dass echte verschränkte Qubits es wirklich wissen, selbst über riesige Entfernungen und unmittelbar gemessen. Diese Verbindung ist schneller als das Licht – was eigentlich nicht möglich sein sollte.
2. Sobald verschränkte Qubits gemessen sind, sind sie nicht mehr verschränkt. Die Qubits liefern dann nur noch deterministisch immer wieder dieselbe Antwort. Daher kann man Verschränkung als verbrauchbare Ressource verstehen: einmal durch Messen aufgebraucht, ist sie weg.
Wie erzeugen wir Verschränkung im echten Leben?
Kurze Antwort: bringen Sie zwei Qubits nahe zueinander.
Viele Arten von Qubits verschränken sich auf natürliche Weise, wenn man sie nahe zusammenbringt. Beispiel: zwei Elektronen im selben Orbital, etwa die beiden Elektronen im Helium. Diese sind natürlicherweise verschränkt.
Ein weiteres Beispiel: Elektronenspins in einem Neutralatom-Quantencomputer. Wir verschränken sie, indem wir die Atome, die diese Elektronen tragen, nah zusammenführen und dann mit einem speziellen Laser beschießen. Das löst eine Wechselwirkung namens Rydberg-Wechselwirkung aus, die die beiden verschränkt.
Wer wählt, was „oben“ bedeutet?
Hier liegt der Schlüssel. Es gibt im Universum kein absolutes „oben“. Ihr Oben ist anders als Australiens Oben. Wenn wir also sagen, die zwei Atome zeigen immer in entgegengesetzte Richtungen: entgegengesetzt entlang welcher Achse?
Die Antwort ist der seltsamste Teil von allem. Es zeigt sich: Ihr Messgerät entscheidet, was als oben gilt.
Wenn Sie den Spin eines Atoms messen, können Sie nie einfach seine Richtung ablesen. Der Spin könnte überallhin im Raum zeigen, aber Sie können nur eine Frage stellen: ist er entlang dieser Achse ausgerichtet oder dagegen? Sie wählen die Achse. Die Antwort kommt zurück als „auf“ oder „ab“. Das ist eine harte Grenze, keine Messung, die wir je gebaut haben, umgeht sie. Nach der Quantenmechanik sollte es nicht einmal möglich sein. (Wer weiß. Vielleicht finden Sie einen Weg.)
„Aber ist es nicht einfach vorbestimmt?“
Sie könnten sagen: Vielleicht wurden die Richtungen einfach festgelegt, als Sie die Atome zusammenbrachten, nicht erst beim Messen. Vielleicht war ein Atom immer auf, das andere immer ab. Vielleicht entdecken Sie sie nur beim Messen, und nichts Verrücktes passiert.
Das scheint die offensichtliche Schlussfolgerung. Aber sie ist falsch, und hier ist warum.
Irgendwie schnappt das andere Qubit, nachdem Sie Ihres gemessen haben, sofort auf die Achse, entlang der Sie gemessen haben. Maßen Sie auf/ab, schnappt das andere auf auf oder ab. Genauso, wenn Sie seitlich maßen. Ihre Absicht wird irgendwie auf das andere Qubit übertragen.
Tatsächlich gewann das Experiment, das das bewies, den Nobelpreis für Physik 2022. Sie sehen einen Blick darauf im Abschnitt unten, aber wenn Sie das Experiment selbst verstehen wollen, gehen Sie zur nächsten Anleitung über die CHSH-Ungleichung.
Trotzdem: Es ist unmöglich, auf diese Weise tatsächlich Information zu senden, weil Sie nicht entscheiden können, in welche Richtung das Qubit geht (auf oder ab). Das ist rein zufällig.
Schneller als das Licht
Sie können dies deutlich schneller messen, als Licht zwischen den beiden Atomen reisen könnte.
2012 führte Anton Zeilingers Gruppe genau so ein Experiment zwischen zwei der Kanarischen Inseln durch – La Palma und Teneriffa, 143 km (ca. 89 Meilen) auseinander. Sie verschränkten Paare von Photonen (die sich für diesen Zweck wie Atomspins verhalten), sandten sie über die Lücke und maßen beide Enden.
Ihre Uhren waren auf etwa 3 Nanosekunden synchronisiert. Licht braucht ca. 477.000 Nanosekunden für die Strecke. Die Korrelationen zwischen den Photonen erschienen schneller, als ein Lichtgeschwindigkeits-Signal zwischen ihnen es erklären könnte.
Experimente dieser Art brachten Zeilinger den Nobelpreis für Physik 2022 ein, gemeinsam mit Alain Aspect und John Clauser, die frühere Versionen 1982 und 1972 durchgeführt hatten.
Kann man damit Nachrichten senden?
Am Ende gibt es Verbindungen zwischen Dingen, die schneller als das Licht sind, und sie kümmern sich nicht um Entfernung. Es ist wie ein Wurmloch. Irgendwie beeinflusst Ihre Entscheidung darüber, in welche Richtung Sie messen, den Partner.
Aber hier ist die letzte Wendung: Sie können das nicht nutzen, um Information zu senden. Die Verbindung ist real, aber sie kann kein Signal tragen – Sie können nicht steuern, was die andere Person sieht.
Warum ist das Thema der nächsten Anleitung. Bleiben Sie dran.
Halten Sie sie
Zwei Qubits, die Sie in den Händen halten können.
Qubi ist ein Modell-Qubit. Paaren Sie sie, führen Sie die Gatter aus und bauen Sie die Intuition, die diese Anleitung gerade gelegt hat, durch Berührung auf.