Forscher untersucht, wie Sie Ihren Verstand erweitern können, um die Quantenverschränkung zu verstehen

Mein neuer Artikel „Quantenverschränkung optischer Photonen: Das erste Experiment, 1964–67“ soll den Geist eines kleinen Forschungsprojekts vermitteln, das Neuland betritt. Der Artikel bricht mit der Tradition, da er aus erster Hand die Strategie und die Herausforderungen des Experiments beschreibt und das Endergebnis und seine Bedeutung interpretiert. In diesem Gastkommentar werde ich das Thema vorstellen und auch versuchen, die Frage „Was ist ein Paradoxon?“ zu beleuchten.

Beginnen wir mit dem Gyroskop, das ich mit acht Jahren in einem Laden für Scherzartikel und Zaubertricks gekauft habe. Die rotierende Scheibe, die an einem Ende ihrer Welle gelagert war, fiel nicht, sondern bewegte sich langsam in einer horizontalen Ebene. Dieses Verhalten erscheint im Kontext der allgemeinen Erfahrung, in der Gyroskope nicht vorkommen, mysteriös oder paradox, ergibt jedoch im Kontext der Newtonschen Mechanik, die das Paradoxon löst, indem sie das Verhalten von Gyroskopen genau vorhersagt, vollkommen Sinn.

Die Quantentheorie, die Mitte der 1920er Jahre entwickelt wurde, hat sich als beeindruckend erfolgreich erwiesen, wenn es darum ging, die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Atomen und Molekülen zu erklären. 1935 sorgten Einstein, Podolsky und Rosen mit einem Gedankenexperiment für Kontroversen, bei dem sich zwei Teilchen gemeinsamen Ursprungs voneinander entfernen. Dabei stellten sie fest, dass die Quantentheorie Korrelationen bei aufeinanderfolgenden Messungen ihrer Spins vorhersagt. Die Korrelation mag recht rätselhaft erscheinen, da eine Messung an einem der Teilchen eine nachfolgende Messung an dem anderen zu beeinflussen scheint, selbst wenn die Teilchen nicht miteinander interagieren.

In der heutigen Terminologie sind diese Korrelationen ein Beispiel für Verschränkung, und das Korrelationsphänomen ist als EPR-Paradoxon bekannt. Das Rätsel ist Gegenstand vieler Diskussionen und Analysen geworden, insbesondere weil es keinen bekannten Mechanismus gab (und gibt), durch den Messungen miteinander kommunizieren.

Entwirrung der Verstrickung

1964 war ich von diesem unbekannten Effekt fasziniert und begann darüber nachzudenken, wie man das EPR-Experiment – ​​oder zumindest eine Version davon – tatsächlich durchführen könnte, indem man die Korrelation und Verschränkung beobachtet. Es wäre ein Experiment mit niedriger Energie, das in einem kleinen Labor durchgeführt werden könnte.

Für das hier beschriebene Experiment sind die interessierenden Teilchen Photonen des sichtbaren Lichts, die nicht miteinander interagieren und von angeregten Calciumatomen in einem zweistufigen spontanen Emissionsprozess emittiert werden. Die Polarisationszustände der Photonen, die mit ihren Spins zusammenhängen, können einfach mit gewöhnlichen linearen Polarisatoren gemessen werden. Photomultiplier-Detektoren zählen die einzelnen Photonen Nr. 1 (grün) und Nr. 2 (violett), und Zeitschaltkreise ermöglichen die Identifizierung von Photonenpaaren desselben Atoms. Vor jedem Detektor ist ein drehbarer linearer Polarisator angebracht.

Vereinfacht ausgedrückt geht es bei dem Experiment darum, die Rate zu zählen, mit der Photonenpaare als Funktion der Ausrichtung der Polarisatoren erkannt werden. Ein vom selben Atom erkanntes Photonenpaar wird als „Koinzidenzzählung“ aufgezeichnet.

Die Quantentheorie macht folgende Vorhersagen:

Die Vorhersagen Nr. 1 und Nr. 2 sind nicht überraschend, da die grünen und violetten Lichtstrahlen unpolarisiert sind.

Vorhersage Nr. 3, die in meinem Artikel weiter erläutert wird, ist ein Quantenverschränkungseffekt, für den es in der klassischen (nicht-quantenmechanischen) Physik kein Analogon gibt. Er ist besonders interessant, weil er experimentell getestet werden kann. Ich habe das Experiment speziell für diesen Zweck entwickelt.

Die Ergebnisse des Experiments nach fast dreijähriger Laborarbeit zeigen deutlich, dass Übereinstimmungszählungen aufgezeichnet werden, wenn die Polarisatorachsen parallel sind, und dass keine Übereinstimmungen aufgezeichnet werden, wenn die Polarisatoren senkrecht zueinander stehen. Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment ist eindeutig und verblüffend.

Gibt es also ein Paradoxon?

In unserer kurzen Diskussion über das Gyroskop wurde kein Paradoxon festgestellt, da Newtons Theorie (klassische Dynamik) vollständig erklärt, wie sich ein Gyroskop bewegt. Darüber hinaus sind sowohl die Theorie als auch das beobachtete Gyroskopverhalten mit unserer Lebenserfahrung und unserer intuitiven Fähigkeit vereinbar, natürliche Prozesse im klassischen Bereich zu erfassen.

Im Fall der Verschränkung erklärt die Quantentheorie die beobachtete Korrelation der Photonenpolarisationen. Aber selbst wenn eine Theorie experimentelle Ergebnisse vorhersagt, kann ein Paradoxon bestehen bleiben, wenn die Intuition nicht dazu in der Lage ist.

Schauen Sie sich die Vorhersagen Nr. 1 und 3 oben noch einmal an. Wenn wir auf unsere Erfahrungen mit dem Leben in einer nicht-quantenmechanischen Welt zurückgreifen, bemerken wir möglicherweise etwas sehr Seltsames, wenn die Polarisatoren im 90-Grad-Winkel „gekreuzt“ sind. Wenn jedes Photon eine 50-prozentige Chance hat, seinen Polarisator zu passieren, warum gibt es dann nicht in 25 % der Fälle Übereinstimmungen? Stattdessen beobachten wir überhaupt keine.

Auf den ersten Blick scheint dies tatsächlich ein Paradoxon zu sein. Eine mögliche Erklärung könnte eine fehlende Komponente der Quantentheorie sein – vielleicht ein kausaler Mechanismus, der es einem Photon oder einer Messung ermöglichen könnte, mit dem anderen zu kommunizieren. Trotz umfangreicher Forschung konnte jedoch kein Beweis für einen solchen Mechanismus gefunden werden.

Da wir nicht in einer offenkundig quantenmechanischen Welt leben, können klassische Phänomene unsere Denkprozesse beeinflussen – selbst wenn wir uns in den Quantenbereich wagen. Es kann daher weiterhin eine Herausforderung bleiben, Verschränkung in die Intuition zu integrieren. Ich glaube, dass das Paradoxon zumindest teilweise gelöst werden kann, wenn weiteres Denken und Erleben, wie das hier betrachtete Experiment, den Geist „erweitert“, um Verschränkung und andere Quantenphänomene umfassender zu erfassen.

Mittlerweile empfinde ich diese Aspekte der Natur als „seltsam wunderbar“.