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Das Geheimnis der Quanten-Nichtlokalität: Warum scheinen Quantenteilchen die Lichtgeschwindigkeitsgrenze zu verletzen?
Die tiefgreifenden Eigenschaften der Quantenmechanik und die damit verbundenen Probleme der Nichtlokalität stehen seit langem im Mittelpunkt der Diskussionen unter Physikern und Philosophen. Beim Versuch, die Geheimnisse der Quantenwelt zu verstehen, werden herkömmliche physikalische Vorstellungen auf die Probe gestellt, denn das Verhalten der Quantenteilchen scheint die Grenzen der Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Wie kam es dazu? Genau diese Frage versuchte der Bell-Test zu beantworten.
Seit 2015 haben alle Bell-Tests gezeigt, dass die Annahme lokaler verborgener Variablen nicht mit dem Verhalten physikalischer Systeme vereinbar ist.
Hintergrund und Bedeutung des Bell-Experiments
Das nach John Stuart Bell benannte Bell-Experiment sollte die Beziehung zwischen der Quantenmechanik und Albert Einsteins Theorie des lokalen Realismus testen. Der lokal-realistische Ansatz geht davon aus, dass das Verhalten von Partikeln durch bestimmte unbeobachtete lokale Variablen erklärt werden muss, die als „verborgene Variablen“ bezeichnet werden. Diese Ansicht wurde jedoch durch die Einführung der Bellschen Ungleichung in Frage gestellt.
Quantenverschränkung und das EPR-Paradoxon
Quantenverschränkung ist das Kernkonzept des Bell-Experiments. Im Jahr 1935 schlugen Einstein und seine Kollegen das berühmte EPR-Paradoxon vor. Sie behaupteten, dass die Vorhersagen der Quantenmechanik darauf hinausliefen, dass Informationen augenblicklich zwischen Teilchen übertragen werden könnten, was einen Verstoß gegen das Kausalitätsgesetz darstellen würde. Dies bedeutet, dass die Wechselwirkungen zwischen Quantenteilchen nicht nur von einer lokalen verborgenen Variablen gesteuert werden, sondern auch nicht-lokal sein können.
Wenn eine Information bekannt ist, dann gibt es gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation andere Informationen, die nicht bekannt sein können.
Experimentelle Überprüfung der Bellschen Ungleichung
Experimente zur Bellschen Ungleichung beinhalten Messungen an zwei oder mehr verschränkten Teilchen. Bei Versuchsaufbauten geht es typischerweise darum, ein Teilchen, etwa ein Photon, zu beobachten und seine zu messenden Eigenschaften (etwa die Polarisation) auszuwählen. Wenn die experimentellen Ergebnisse die Bellsche Ungleichung verletzen, kann die Hypothese lokaler verborgener Variablen ausgeschlossen werden. Alle bisherigen Ergebnisse des Bell-Tests stützen eher die Vorhersagen der Quantenphysik als die der Theorie lokaler verborgener Variablen.
Das Bell-Experiment, das Geschichte schrieb
Seit den 1970er Jahren haben Physiker begonnen, verschiedene Bell-Experimente durchzuführen. Einige wichtige Experimente sind:
- Im Jahr 1972 führten Stuart J. Friedman und John Crowther das erste Experiment durch, bei dem eine Verletzung der Bellschen Ungleichung beobachtet wurde.
- 1982 führten Alain Aspert und sein Team in Frankreich den berühmten Bell-Test durch, das erste Experiment, bei dem die Messeinstellungen während des Flugs der Photonen zufällig ausgewählt wurden.
- Im Jahr 2015 schlossen Hensen et al. im Experiment erfolgreich sowohl die Erkennungslücke als auch die Lokalitätslücke, was die Verletzung der Bellschen Ungleichung experimentell stärker untermauerte.
Der Aufstieg der Quanteninformationstheorie
Aufgrund der Verletzung der Bellschen Ungleichung erkannten Wissenschaftler, dass die einzigartigen Eigenschaften der Quantenverschränkung den Grundstein für den Erfolg der Quanteninformationstheorie legten. Dieses neue Gebiet der Physik konzentriert sich auf mögliche Anwendungen im Bereich Quantencomputer und Quantenkommunikation, insbesondere der Quantenkryptographie. Die Quantenkryptographie nutzt die Eigenschaften von Quantensystemen, um sichere Kommunikationsmethoden zu entwickeln, was zweifellos eine wichtige Anwendung der Quantenmechanik ist.
Blick in die Zukunft
Mit der Weiterentwicklung experimenteller Technologien vertiefen sich die Kenntnisse der Physiker zur Quantenwelt immer weiter und es werden derzeit auch komplexere Bell-Experimente durchgeführt. Sie bestätigen nicht nur die theoretischen Vorhersagen der Quantenmechanik, sondern veranlassen uns auch, die Natur der Realität zu überdenken. Können wir in diesem Universum voller Ungewissheit eine Form von Gewissheit finden?
