Studie beweist Kompatibilität zweier grundlegender Prinzipien der Quantentheorie

Die Quantentheorie, die in den ersten drei Jahrzehnten des zwanzigsten Jahrhunderts formuliert wurde, beschreibt eine breite Palette von Phänomenen auf molekularer, atomarer und subatomarer Ebene. Unter seinen vielen technologischen Anwendungen sind drei im täglichen Leben allgegenwärtig geworden: Laser-Barcode-Scanner, Leuchtdioden (LEDs) und das globale Positionsbestimmungssystem (GPS).

Dennoch ist die Quantenphysik immer noch nicht vollständig verstanden, und einige der betreffenden Phänomene scheinen dem gesunden Menschenverstand oder der empirischen Alltagserfahrung zu widersprechen, was nicht nur den durchschnittlichen Laien, sondern auch Physiker und Wissenschaftsphilosophen überrascht. Einige der kontraintuitiven Aspekte der Quantentheorie sind auf ihre probabilistische Natur zurückzuführen. Es bietet eine Reihe von Regeln zur Berechnung der Wahrscheinlichkeiten der möglichen Messergebnisse physikalischer Systeme und kann im Allgemeinen das tatsächliche Ergebnis einer einzelnen Messung nicht vorhersagen.

Eine der herausfordernden Ideen der Quantenphysik ist die Nichtlokalität, ein Aspekt der Realität, der sich manifestiert, wenn zwei oder mehr Systeme erzeugt werden oder so interagieren, dass die Quantenzustände eines Systems nicht unabhängig von den Quantenzuständen der anderen beschrieben werden können . Technisch gesehen nennen Wissenschaftler solche Systeme verschränkt, da sie auch auf Distanz stark korreliert sind und ihr Quantenzustand nicht durch die Quantenzustände ihrer Bestandteile definiert ist.

Eine weitere herausfordernde Idee, die in die entgegengesetzte Richtung zu weisen scheint, ist die Kontextualität, wonach das Ergebnis der Messung eines Quantenobjekts vom Kontext abhängt, dh andere kompatible Messungen, die gleichzeitig durchgeführt werden.

Nicht-Lokalität und Kontextualität wurden mit der Quantentheorie geboren, folgten aber mehrere Jahrzehnte lang unabhängigen Pfaden. Im Jahr 2014 führten Wissenschaftler eine Studie mit einem bestimmten Fall durch, in der sie zeigten, dass nur einer von ihnen in einem Quantensystem beobachtet werden kann. Dieser Befund wurde als Monogamie bekannt. Die Autoren vermuteten, dass Nicht-Lokalität und Kontextualität unterschiedliche Facetten desselben allgemeinen Verhaltens seien, das entweder auf die eine oder andere Weise beobachtet werde.

Nun hat eine Studie brasilianischer und chinesischer Forscher sowohl theoretisch als auch experimentell gezeigt, dass dem nicht so ist. Ein Artikel über die Studie ist erschienen in Briefe zur körperlichen Überprüfung und als Vorschlag der Redaktion hervorgehoben.

Die Forschung wurde von Rafael Rabelo geleitet, dem letzten Autor des Artikels und Professor am Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) der State University of Campinas in Brasilien.

Die ersten Autoren sind Peng Xue und Lei Xiao vom Beijing Computational Science Research Center in China. Die anderen Co-Autoren, alle mit brasilianischen Institutionen verbunden, sind Gabriel Ruffolo und André Mazzari, ebenfalls Forscher am IFGW-UNICAMP; Marcelo Terra Cunha vom Institut für Mathematik, Statistik und Wissenschaftliches Rechnen (IMECC-UNICAMP) derselben Universität; und Tassius Temístocles vom Federal Institute of Alagoas.

„Wir haben bewiesen, dass beide Phänomene tatsächlich gleichzeitig in Quantensystemen beobachtet werden können. Der theoretische Ansatz wurde hier in Brasilien entwickelt und in einem Quantenoptik-Experiment von unseren chinesischen Mitarbeitern validiert“, sagte Rabelo gegenüber Agência FAPESP.

Die neue Studie zeigt definitiv, dass zwei der grundlegenden Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik entgegen der üblichen Annahme gleichzeitig im selben System beobachtet werden können. „Nicht-Lokalität und Kontextualität sind daher eindeutig keine komplementären Manifestationen desselben Phänomens“, sagte Rabelo.

In der Praxis ist die Nicht-Lokalität eine wichtige Ressource für die Quantenverschlüsselung, während die Kontextualität unter anderem die Grundlage für ein bestimmtes Quantencomputermodell ist. „Die Möglichkeit, beides gleichzeitig im selben System zu haben, könnte den Weg zur Entwicklung neuer Quanteninformationsverarbeitungs- und Quantenkommunikationsprotokolle ebnen“, sagte er.

Satz von Bell

Die Idee der Nicht-Lokalität war eine Art Antwort auf den Einwand von Albert Einstein (1879-1955) gegen die probabilistische Natur der Quantenphysik. In einem 1935 veröffentlichten wegweisenden Artikel stellten Einstein, Boris Podolsky (1896-1966) und Nathan Rosen (1909-1995) oder EPR die Vollständigkeit der Quantentheorie in Frage.

Sie schlugen ein Gedankenexperiment vor, das als EPR-Paradoxon bekannt ist: Um bestimmte nichtklassische Korrelationen zu rechtfertigen, die sich aus der Verschränkung ergeben, müssten entfernte Quantensysteme sofort Informationen austauschen, was nach der speziellen Relativitätstheorie unmöglich ist. Sie kamen zu dem Schluss, dass dieses Paradoxon auf die Unvollständigkeit der Quantentheorie zurückzuführen ist. Die Unvollständigkeit, argumentierte EPR, könnte korrigiert werden, indem lokale verborgene Variablen einbezogen würden, die die Quantenphysik so deterministisch machen würden wie die klassische Physik.

„Im Jahr 1964 griff der britische Physiker JS Bell (1928-1990) das EPR-Argument erneut auf und führte einen eleganten Formalismus ein, der alle Theorien lokaler verborgener Variablen umfasste, unabhängig von den besonderen Eigenschaften, die jede Variable haben könnte. Bell bewies, dass keine dieser Theorien das reproduzieren konnte Korrelationen zwischen Messungen an zwei von der Quantenphysik vorhergesagten Systemen Dieses später als Bellsches Theorem bekannte Ergebnis stellt meines Erachtens eine der wichtigsten Säulen der Quantenphysik dar. Die Eigenschaft, starke Korrelationen zu haben, die von keinem reproduziert werden können Die lokale Theorie ist jetzt als Bell-Nichtlokalität bekannt. Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger wurden unter anderem für die experimentelle Beobachtung der Bell-Nichtlokalität mit dem Nobelpreis für Physik 2022 ausgezeichnet“, sagte Rabelo.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis aus der Diskussion der verborgenen Variablen wurde in einem Artikel von Simon Kochen (1934-) und Ernst Specker (1920-2011) vorgestellt, der 1967 veröffentlicht wurde. Die Autoren zeigten dies aufgrund der Struktur und der mathematischen Eigenschaften von Quantenmessungen , muss jede Theorie der verborgenen Variablen, die die Vorhersagen der Quantenphysik reproduziert, einen Aspekt der Kontextualität aufweisen.

„Trotz der gemeinsamen Motivation verfolgten Studien zur Bell-Nichtlokalität und der Kochen-Specker-Kontextualität lange Zeit voneinander unabhängige Wege. Erst in jüngster Zeit gab es ein wachsendes Interesse herauszufinden, ob sich beide Phänomene gleichzeitig in demselben physikalischen System manifestieren könnten In einem 2014 veröffentlichten Artikel sagten Pawel Kurzynski, Adán Cabello und Dagomir Kaszlikowski nein. Sie zeigten warum durch einen bestimmten Fall, aber dennoch einen interessanten. Wir haben dieses ‚Nein‘ jetzt in unserer Studie widerlegt“, sagte Rabelo.