Quantenspuk

Die Quantenmechanik ist nicht nur seltsamer, als wir uns vorstellen können, sondern vielleicht sogar merkwürdiger, als wir überhaupt denken können.

Kein Wunder das Albert Einstein von spukhaften Wechselwirkungen sprach, wenn es darum ging, dass Teilchen unter bestimmten Umständen über Entfernungen hinweg mit anderen Teilchen in Verbindung stehen könnten, wenn sie quantenmechanisch miteinander verschränkt waren.

Das Gedankenexperiment, das er sich mit den Kollegen Nathan Rosen und Boris Podolski1935 ausgedacht hat, sollte zeigen, dass diese Ideen abwegig sind, es ist als EPR-Paradoxon bekannt geworden.

Quantenmechanische Verschränkung ist ein eigenwilliges Phänomen, denn man muss dazu zwei Teilchen (in der Regel Atome) in den gleichen physikalischen Zustand bringen, zum Beispiel indem man sie bis in die Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts abkühlt (0 Kelvin oder etwa -273,15 °C). Beide Atome haben dann zu Beispiel einen Gesamtspin von 0 (Spin ist der sog. Eigendrehimpuls, allerdings erfordert es in Analogie zur Drehung bei einem Teilchen mit Spin zwei Umdrehungen, bis der Ausgangszustand wieder erreicht ist - es wird noch merkwürdiger). Silberatome zum Beispiel können zwei Spinzustände einnehmen +1/2 und -1/2. Bringt man sie zusammen, hat das Gesamtsystem, wie oben gefordert einen Gesamtspin von 0.

Zwei Teilchen können den gleichen Zustand einnehmen, wenn sie sich in wenigstens einer Quantenzahl, zum Beispiel dem Spin unterscheiden. Wenn wir unsere Atome trennen, wissen wir also, dass sich die Spinquantenzahl unterscheiden muss, können aber nicht sagen, welches Atom welchen Spin hat.

Laut Quantenmechanik ist der Spin unbestimmt, bis er durch ein Experiment gemessen wird, erst dann ist er festgelegt und bestimmt damit auch den Spin des anderen Teilchens. Womit Einstein und seine Kollegen sich aber nicht abfinden konnten, war, dass diese Festlegung unabhängig von der Entfernung der Teilchen mit sofortiger Wirkung eintritt, ob sich die Teilchen in den Ecken eines Labors, das sich auf verschiedenen Kontinenten befindet, spielt keine Rolle. Die Quantenmechanik sagt, dass die Festlegung sofort und nicht durch die Lichtgeschwindigkeit beschränkt erfolgt.

Das ging Einstein gehörig auf die Nerven. Doch in tatsächlichen Experimenten konnte seit 1982 immer wieder gezeigt werden, dass es genau so abläuft und es keine verborgenen Variablen geben kann, die irgendwie vorher festlegen, wie die Spinmessung ausgeht.

Den Spin kann man aber nur ein einziges Mal messen, danach ist die Verschränkung aufgehoben und wir haben wieder zwei ganz gewöhnliche Teilchen. Da auch Photonen einen Spin haben, kann man das nutzen, um Informationen zu verschlüsseln, und weiß sofort, wenn die Kommunikation abgehört wurde, da die vom Lauscher weitergeschickten Photonen einen anderen Spin haben, als die ursprünglichen. Sender und Empfänger müssen nur auf klassischem Wege ihre Spins vergleichen und nur wenn sie übereinstimmen, ist die Leitung sicher.

Dabei stellt natürlich jede Wechselwirkung einen solchen Lauschversuch dar, selbst wenn das Teilchen nur an einem Spiegel reflektiert wird, kann die Verschränkung zerstört werden.

Die Meinung, alle Teilchen seien seit dem Urknall miteinander verschränkt, oder es würde genügen ein paar Atome in Wasser zu schwenken um eine solche Verbindung zu erhalten ist deshalb nicht richtig.

Einzelne Teilchen zu verschränken ist aber inzwischen ein leichtes Spiel für die Physiker.

Größer ist die Herausforderung das Phänomen in die makroskopische Welt zu transportieren. Wissenschaftler an der California in Santa Barbara haben genau das mit einer supraleitenden Leiterschleife versucht. Mit flüssigem Helium gekühlt und über einen Tunnelkontakt (noch ein quantenmechanisches Phänomen: Teilchen können sich für kurze Zeit Energie vom Universum ausborgen, um Barrieren zu überwinden, für die sie eigentlich nicht die Kraft haben sollten) verbunden. In den Leiterschleifen fließt der Strom ohne Widerstand, also supraleitend, und Elektronen finden sich in Paaren zusammen (Überraschung, so ein Cooper-Paar hat einen Gesamtspin von 0, jedes Einzelelektron aber +1/2 oder -1/2). Darüber hinaus fließt der Strom auch noch in beide Richtungen gleichzeitig. Mit Mikrowellenimpulsen kann man es aber erreichen, dass nur eine Flussrichtung vorherrscht und sich die Leierschleifen sozusagen entweder im Zustand 0 oder 1 befinden.

In ihren Experimenten konnten die Physiker zeigen, dass sich die Leiterschleifen gegenseitig beeinflussen und eine Verschränkung vorliegt, die nicht mit einer klassischen Wahrscheinlichkeitsverteilung erklärt werden kann.

Die Wahrscheinlichkeitsrechnung wurden von John Bell 1964 entwickelt und gilt als Bell'sche Ungleichung seitdem als Test für Systeme mit quantenmechanischer Verschränkung, denn quantenmechanische Systeme lassen sich eben nicht klassisch erklären.

Die Leiterspulen müssen extrem gekühlt werden, damit die Supraleitung nicht zusammenbricht, denn jeder Stoß eines Elektrons mit einem Atom aus der Spule würde die Verschränkung wieder zerstören. Deshalb ist es sehr schwierig, solche Phänomene bei Raumtemperatur zu beobachten.

An der Universität Stuttgart haben sich Wissenschaftler von solchen Überlegungen nicht abhalten lassen und versuchten, mit einem Diamanten quantenmechanische Verschränkungen zu erzeugen.

Etwa 1% der Kohlenstoffatome, aus denen ein Diamant aufgebaut ist, besitzen ebenfalls Eigendrehimpulse (manchmal auch magnetische Momente genannt) und durch die Gitterstruktur im Diamanten ist die Wechselwirkung mit den Nachbaratomen offenbar eingeschränkt genug, um eine Verschränkung aufrecht zu erhalten. Im Experiment wurden Stickstoffatome in den Diamant eingebracht, mit denen die Kohlenstoffatome wechselwirken konnten.

Die Verschränkungen überleben selbst bei Raumtemperatur Zeiträume im Bereich von Millisekunden, das erscheint wenig zu sein, ist aber genug für quantenmechanische Effekte und könnte irgendwann helfen, Quantencomputer zu bauen, die nicht mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden müssen.

Verschränkte Zustände von Teilchen oder Photonen sind sehr fragile Gebilde und schon ein kleiner Schubser lässt sie zusammenbrechen. Aber die ersten Schritte in Richtung Makroskopie und Raumtemperatur könnten dafür sorgen, dass irgendwann tatsächlich Quantencomputer auf diesem Phänomen aufbauen oder die Quantenkryptografie alltagstauglich wird.

Einstein meinte, Gott würde nicht würfeln, und lehnte die Konsequenzen der Quantenmechanik ab, die er selbst mit ins Leben gerufen hatte - es war einer der wenigen Punkte, wo er unrecht hatte.


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