2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Lichtkegel möglicher Ereignisse im Zusammenhang mit der Messung der Verschränkung. A und B sind Sterne, die sich an entfernten Punkten am Himmel befinden und 600 und 1900 Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Die Zeit ist entlang der vertikalen Achse aufgetragen.
Physiker aus Österreich, den USA, Deutschland und China haben in einem rekordverdächtigen Experiment eine Verletzung des lokalen Realismus unserer Welt entdeckt. Als eines der „Elemente“des Experiments nutzten Physiker das Licht ferner Sterne – es ersetzte den üblichen „Zufallszahlengenerator“. Nach Ansicht der Autoren wurde damit einer der Fehler beseitigt, der bei traditionellen Lokalitätsprüfungen vorhanden ist - die Möglichkeit latenter Korrelationen in der Vergangenheit des Systems. Ein Vorabdruck der Studie ist unter arXiv.org verfügbar, die Studie wurde am 7. Februar 2017 begutachtet und in Physical Review Letters veröffentlicht.
Lokalität ist eine Eigenschaft der klassischen Physik, die anzeigt, dass Veränderungen an einem Punkt im Universum die physikalische Realität an einem anderen Punkt nicht sofort ändern können: Ein Ereignis auf der Venus kann die Zerfallshäufigkeit von Pi-Mesonen auf der Erde nicht sofort erhöhen. Diese Eigenschaft liegt dem klassischen Kausalitätsprinzip zugrunde und ergibt sich aus Beschränkungen der Übertragungsgeschwindigkeit von Wechselwirkungen durch Lichtgeschwindigkeit. In der Quantenmechanik kann diese Lokalität in besonderer Weise verletzt werden.
Lokalitätsverletzungen umfassen verschränkte Partikelsysteme. Ein Beispiel für ein solches System ist ein Photonenpaar, das durch spontane parametrische Streuung entsteht – die Umwandlung eines Quants in zwei mit niedrigerer Energie. Die Polarisation dieser Photonen ist senkrecht zueinander, aber vor der Messung "kennen" die Photonen ihre Polarisation nicht. Misst man nur die Polarisation des einen oder anderen Photons, dann stellt sich heraus, dass diese zufällig ist. Wenn Sie jedoch die Polarisationen in den Photonenpaaren verfolgen, stellt sich heraus, dass die Messung des Zustands des ersten Photons sofort den Zustand des zweiten beeinflusst. Es ändert seinen Zustand, indem es sich an das Messergebnis des ersten Partikels „anpasst“. Einstein nannte dieses Phänomen "Alptraum-Action aus der Ferne". Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Effekt nicht verwendet werden kann, um Informationen schneller als Lichtgeschwindigkeit zu übertragen.
Aus quantenphysikalischer Sicht verhält sich ein Paar verschränkter Photonen wie ein einzelnes System, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dieses Verhalten kann auf das Vorhandensein einiger versteckter Parameter oder Variablen in den Partikeln zurückgeführt werden, die die Zustände der Photonen noch vor der Messung synchronisieren. Es kann jedoch ein ziemlich komplexes Experiment durchgeführt werden, das in der Lage ist, mithilfe mehrerer Messungen von Teilchenzuständen statistisch zwischen Nichtlokalität und dem Vorhandensein versteckter Parameter zu unterscheiden. Unterschiede in der Statistik (Koinzidenzhäufigkeit der Ergebnisse spezieller Messungen) werden durch die Bellschen Ungleichungen beschrieben.
Zahlreiche Experimente haben die Verletzung der Bellschen Ungleichungen in verschränkten Teilchensystemen bestätigt. Jeder von ihnen enthielt jedoch einige Annahmen, die für die Interpretation der Daten erforderlich waren. Diese Annahmen sind eine Art "logischer Fehler", mit dessen Hilfe Lokalitätsverletzungen nachgeahmt werden können. Ein solcher Fehler ist beispielsweise, dass in Experimenten nicht alle Paare verschränkter Teilchen erkannt werden. Theoretisch kann davon ausgegangen werden, dass die erfasste Ereignisstichprobe nicht repräsentativ ist. Durch die Vermeidung der Detektion von Photonen ist es möglich, Verletzungen der Bell-Ungleichungen "aufzuheben". Um diese Annahme zu schließen, haben Physiker ein Experiment mit hoher Detektionseffizienz entwickelt.
Die neue Arbeit konzentriert sich auf eine andere Annahme, die in Experimenten verwendet wird. Traditionell wird davon ausgegangen, dass im Moment der Erzeugung eines Paares verschränkter Teilchen verborgene Parameter auftreten. Die Formulierung der Bellschen Ungleichungen erfordert diese Annahme jedoch nicht.
Um die Zustände von Photonen bei der Lokalitätsprüfung zu messen, werden zufällig ausgewählte Basen verwendet (zum Beispiel werden Orientierungen von Polarisatoren zufällig ausgewählt, um die Polarisation zu messen). Es wird angenommen, dass zwischen ihrer Wahl für beide Photonen kein Zusammenhang besteht. Aber wenn wir diese Annahme entfernen, kann man theoretisch eine Situation bekommen, in der die Bellsche Ungleichung trotz der Erhaltung der Lokalität verletzt wird. Mit anderen Worten können versteckte Parameter auftreten, bevor verschränkte Paare entstehen.
Versuchsschema. Center - das Gebäude des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation. Links und rechts - Messorte: Österreichische Nationalbank und Universität für Bodenkultur
Die Autoren der neuen Arbeit haben einen Weg gefunden, den Zeitraum, in dem versteckte Parameter auftreten können, grundsätzlich zu begrenzen. Dies schränkte dementsprechend die Korrelationen zwischen zufälligen Wahlen von Photonenmessverfahren ein.
Der Versuch war wie folgt organisiert. Die Quelle der verschränkten Photonen befand sich im Gebäude des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (Wien). Die verschränkten Photonenpaare wurden an zwei Messgeräte übertragen: eines bei der Österreichischen Nationalbank und eines an der Universität für Bodenkultur. Die Entfernung zu den Gebäuden betrug 1149 bzw. 557 Meter. Ein Paar Teleskope wurde verwendet, um den Photonenstrahl zu fokussieren (zum Empfangen und Senden). Die Photonen waren in Polarisation verschränkt.
In Gebäuden wurden unabhängige Polarisationsmessungen mit unter einem bestimmten Winkel installierten Polarisatoren durchgeführt. Die Anforderungen des Experiments zum Testen der Bell-Ungleichungen erfordern eine zufällige Wahl der Basis - der Position der Polarisatoren. In einem Gebäude musste der Polarisator zufällig in einem Winkel von 90 oder 45 Grad belichtet werden, in einem anderen - 22,5 und 67,5.
Mögliche Korrelationen, die in der Vergangenheit aufgetreten sein könnten, wurden von den Autoren beseitigt, indem die Sterne als Generatoren von Zufallszuständen verwendet wurden. Mit zwei Teleskopen haben Wissenschaftler die Farbe von Photonen aufgenommen, die von zwei verschiedenen Sternen eintreffen - nach heutigem Wissen kann die Farbverteilung der Photonen entlang einer Richtung als zufällig angesehen werden.
Wenn die Wellenlänge des "stellaren" Photons näher am kurzwelligen Bereich lag, führte das Gerät auf der einen Basis Messungen durch, wenn das Photon zum Infrarotbereich gehörte, auf der anderen.
Die ausgewählten Sterne befanden sich in einer Entfernung von 600 und über 1000 Lichtjahren von der Erde in verschiedenen Richtungen vom Beobachter. Nach dem Kausalitätsprinzip können die versteckten Variablen in einem solchen Experiment nicht früher als vor 600 Jahren aufgetreten sein, und das Ereignis, das solche Korrelationen liefern könnte, muss mindestens vor 2000 Jahren aufgetreten sein.
Trotz dieser Einschränkungen fanden die Autoren sicher Abweichungen von den Bell-Ungleichungen in der Statistik des Experiments auf einem Niveau von mindestens 11 Standardabweichungen. In der Teilchenphysik reichen beispielsweise fünf Standardabweichungen aus, um eine Entdeckung zu beanspruchen.
Wissenschaftler betonen, dass das Experiment die Annahme, dass versteckte Variablen in der Vergangenheit auftreten könnten, nicht vollständig verschleiert. Sie schränkt lediglich den Zeitraum ein, in dem Mechanismen funktionieren können, die den Prinzipien der Lokalität gehorchen. Nach Ansicht der Autoren könnten weitere Experimente mit Strahlung von Quasaren oder Gravitationswellen Milliarden von Jahren vor dem Experiment bis in die Ära des frühen Universums Einschränkungen auferlegen.
Es gibt viele verschiedene Interpretationen der Quantenmechanik. Am gebräuchlichsten ist die Kopenhagener Deutung – danach lassen sich alle Prozesse als probabilistisch bezeichnen. Lange Zeit konnte Einstein der probabilistischen Interpretation nicht zustimmen - er wies darauf hin, dass "Gott nicht würfelt". Diese Interpretation steht im Einklang mit dem Determinismus und dem Kausalitätsprinzip. Darüber hinaus gibt es eine Viel-Welten-Interpretation der Quantenmechanik und eine Reihe anderer, weniger populärer Interpretationen.
