Der Nobelpreis für Physik 2022 wurde an Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger für ihre Arbeiten zur „Quanten-Nichtlokalität“ in der Quantenmechanik verliehen. Quanten-Nichtlokalität ist ein Phänomen, bei dem sich verbundene Teilchen unabhängig von der Entfernung sofort gegenseitig beeinflussen können.
Stellen Sie sich vor, Sie besitzen ein Paar Handschuhe. Diese Handschuhe sind ein Paar und daher in irgendeiner Weise korreliert, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Eines Tages steckst du einen der Handschuhe in deinen Rucksack und steigst in einen Flug, um in ein anderes Land zu reisen, während der andere Handschuh zu Hause bleibt. Laut Quanten-Nichtlokalität würde sich die Farbe des Handschuhs zu Hause sofort auch ändern, wenn Sie die Farbe des Handschuhs ändern, den Sie mitgebracht haben, obwohl er durch eine große Entfernung getrennt ist.
Nichtlokalität verstößt gegen viele der von der klassischen Physik vorhergesagten Konzepte, bei denen die Eigenschaften von Partikeln vorbestimmt sind und Änderungen nur durch direkte physikalische Wechselwirkung oder Felder erfolgen, die sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Nichtlokalität hat eine breite Palette von Implikationen für das Verständnis der Zukunft der Realität, der Quantenmechanik und der Entwicklung von Quantentechnologien.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, Nichtlokalität zu definieren und zu interpretieren. Beispielsweise demonstriert eine Reihe von mathematischen Ausdrücken, die als Bell- und CHSH-Ungleichungen bezeichnet werden, Nichtlokalität durch Verletzung von Ungleichungen. In der Zwischenzeit schlug Lucien Hardy 1992 eine alternative Interpretation der Quanten-Nichtlokalität vor, als er das Hardy-Paradoxon entwickelte.
Angenommen, es gibt drei Größen A, B und C, wobei A größer als B und B größer als C ist. Intuitiv und gemäß einer grundlegenden mathematischen Eigenschaft, die als transitive Eigenschaft (oder Theorien über lokale verborgene Variablen in der Physik) bekannt ist, gilt dies würde A größer als C machen.
Hardy stellte jedoch fest, dass es immer noch Raum für eine Situation gibt, in der C größer als A ist. Dies verletzt die transitive Eigenschaft, und solche Verletzungen sind in der Quantenwelt möglich, wenn Teilchen miteinander verschränkt sind. Mit anderen Worten, dies ist Nichtlokalität.
Wir können uns das mit „Schere-Stein-Papier“ vorstellen. Während es offensichtlich ist, dass Stein Schere und Schere Papier schlägt, ist es unmöglich, dass Stein Papier schlägt. Papierschlagender Stein stimmt mit keiner mathematischen Argumentation überein, weshalb es ein Paradoxon ist.
Eine aktuelle Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Körperliche Überprüfung A, hat interessante Enthüllungen über die Hardy-Nichtlokalität gemacht. Die Studie wurde von Dr. Le Bin Ho vom Frontier Research Institute for Interdisziplinäre Wissenschaften (FRIS) der Universität Tohoku mitverfasst.
„Die Hardy-Nichtlokalität hat erhebliche Auswirkungen auf das Verständnis der fundamentalen Quantenmechanik und ist entscheidend für die Stärkung der Wahrscheinlichkeit von Nichtlokalität“, sagte Le. „Wir haben Quantencomputer und -methoden verwendet, um die Messung der Hardy-Nichtlokalität zu untersuchen und ihre Wahrscheinlichkeit zu verbessern.“
Le und seine Kollegen taten dies, indem sie einen theoretischen Rahmen vorschlugen, um eine höhere nichtlokale Wahrscheinlichkeit zu erreichen. Sie verifizierten dies anhand eines theoretischen Modells und einer Quantensimulation.
Obwohl frühere Studien das Gegenteil zeigten, entdeckten sie, dass die nichtlokale Wahrscheinlichkeit zunimmt, wenn die Anzahl der Teilchen zunimmt. Dies deutet darauf hin, dass Quanteneffekte auch in größeren Maßstäben bestehen bleiben, was die klassischen Theorien der Physik weiter in Frage stellt.
Laut Le haben diese Ergebnisse wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Quantenmechanik und ihrer potenziellen Anwendungen in der Kommunikation. „Das Verständnis der Quanten-Nichtlokalität kann zu bahnbrechenden technologischen Fortschritten führen, wie der sicheren Übertragung von Informationen durch Quantenkommunikation über Nichtlokalitätsressourcen.“
Mehr Informationen:
Duc Minh Tran et al, Erhöhte Erfolgswahrscheinlichkeit in Hardys Nichtlokalität: Theorie und Demonstration, Körperliche Überprüfung A (2023). DOI: 10.1103/PhysRevA.107.042210