Es ist alles nur (Quanten-)Schall und Rauch – Vlatko Vedral

Quelle: It’s All (Quantum) Smoke and Mirrors

Wie meine Leser wissen, vertrete ich ein Bild des Universums, in dem die zugrunde liegende Realität aus Quantenwellen besteht. Quanten bedeutet, dass die Höhe der Welle und ihre Phase q-Zahlen sind, wie Dirac sie nannte. Diese q-Zahlen sind unendlich große Tabellen von reellen Zahlen, und der Grund für ihre Notwendigkeit ist, dass Quantensysteme gleichzeitig in vielen verschiedenen Zuständen sein können – das berühmte Superpositionsprinzip, auch bekannt als „Feynmans einziges Rätsel”.

Es stimmt zwar, dass man keine q-Zahlen verwenden muss, um alle bisherigen Quantenexperimente zu erklären – aber dann müssten wir Signale zulassen, die sich schneller als Licht ausbreiten. Mit anderen Worten, wir müssten eine „spukhafte Fernwirkung” einführen, wie Einstein solche überlichtschnellen Effekte nannte, was eindeutig gegen die Relativitätstheorie verstoßen würde (nach der keine Information schneller als Licht sein kann). Ich persönlich bin der Meinung, dass an der Relativitätstheorie nichts auszusetzen ist, und wenn wir uns an die q-Zahlen halten, passt auch die Quantenphysik perfekt zur Relativitätstheorie (natürlich gibt es bis heute auch keinen Verstoß gegen die Relativitätstheorie).

Nun möchte ich Ihnen von einem Gedankenexperiment erzählen, das genau den Bereich untersucht, in dem sowohl die Quantenphysik als auch die Relativitätstheorie eine Rolle spielen. Ursprünglich war dieses Gedankenexperiment ein Rätsel, das während einer Diskussion zwischen Anton Zeilinger (Nobelpreis für Physik, 2022) und Roy Glauber (Nobelpreis für Physik, 2005) aufkam. Um ehrlich zu sein, bin ich mir nicht sicher, wie die genaue Geschichte dieses Rätsels aussieht, aber ich hoffe, Sie sehen mir das nach, da ich kein Historiker bin.

Angenommen, Sie haben ein angeregtes Atom in einem optischen Resonator (zwei parallele Spiegel, einer auf jeder Seite des Atoms). Wenn nun die Länge des Resonators (d. h. der Abstand zwischen den Spiegeln) entsprechend angepasst wird, kann das Atom kein Photon emittieren und auf ein tieferes Energieniveau fallen. Der Grund dafür ist, dass keine Frequenz im Resonator mit der Energie des potenziell emittierten Photons übereinstimmt und dieser Prozess daher nicht stattfinden kann. Dieser Effekt wird daher als „gehemmte spontane Emission” bezeichnet. Er ist für Quantentechnologien von großer praktischer Bedeutung, wenn wir eine stabile Speicherung von Quanteninformationen erreichen wollen.

Das diskutierte Gedankenexperiment beinhaltet nun die plötzliche Entfernung eines der Spiegel und dessen Ersatz durch einen Fotodetektor. Frage: Wann kann dieser Detektor auslösen? Zeilinger argumentierte, dass das Atom, sobald der Spiegel entfernt wird, ein Photon emittiert, da es nicht mehr gehemmt ist, und dass dieses Photon zum Detektor wandert und somit detektiert wird. Der Zeitpunkt der Detektion ist also die Zeit, die das Photon benötigt, um vom Atom zum Detektor zu gelangen. Glauber hingegen argumentierte, dass das Atom zunächst „erfahren” muss, dass der Spiegel entfernt wurde. Daher wandert ein Signal vom Standort des Spiegels zum Atom, und erst dann sendet das Atom ein Photon aus, das sich zum Detektor ausbreitet. Daher ist Glaubers Zeit bis zum Auslösen des Detektors doppelt so lang, da das Licht eine Rundreise Spiegel-Atom-Detektor zurücklegen muss.

Um die Sache noch komplizierter zu machen, schrieben Heidi Fearn, Richard Cook und Peter Milonni 1995 eine wissenschaftliche Abhandlung über dieses Gedankenexperiment, in der sie argumentierten, dass der Detektor ein Photon sofort erkennen könnte! Auf den ersten Blick klingt das nach einer spukhaften Fernwirkung. Sicherlich kann die Emission des Atoms den Detektor nicht augenblicklich erreichen. Aber Fearn et al. argumentierten anders. Der Zustand des Atoms im Hohlraum ist nicht nur „Atom angeregt und keine Photonen im Hohlraum”. Er ist stattdessen quantenverschränkt. Es besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass das Atom angeregt wird, aber es besteht auch eine Wahrscheinlichkeit, dass das Atom bereits entregt ist und sich ein Photon im Hohlraum befindet. Dies ist ein stabiler (verschränkter) Zustand, der so lange bestehen bleibt, bis einer der Spiegel entfernt wird. Der Grund für diese Verschränkung ist, dass das Atom mit dem Licht im Hohlraum interagiert und dass diese Interaktion die Verschränkung erzeugt. Und es ist das Photon in diesem verschränkten Zustand, das sofort nach dem Entfernen des Spiegels detektiert werden könnte.

Wir haben also drei mögliche Antworten: a) Das Photon kann detektiert werden, nachdem das Licht vom Atom zum Detektor gelangt ist, b) nach der doppelten Zeit und c) sofort . Glücklicherweise blieb das Experiment nicht nur ein Gedankenexperiment. David Branning , Alan L. Migdall und Paul G. Kwiat führten es 2007 durch. Wer hatte also letztendlich Recht? Nun, wie es das Schicksal so wollte, lag keiner der Nobelpreisträger richtig. Diese Ehre gebührte stattdessen Fearn und ihren Kollegen Cook und Milonni.

Erstaunliche Sache, aber eines kann ich Ihnen mit Sicherheit sagen: Schrödinger (bekannt durch seine Katze) wäre davon nicht überrascht gewesen. Im Gegensatz zu Feynman, der Superpositionen für das einzige Rätsel hielt, war Schrödinger der Ansicht, dass Verschränkung das charakteristische Merkmal der Quantenphysik sei. Und es war Schrödingers Verschränkung, die es Branning, Migdall und Kwiat ermöglichte, das Photon augenblicklich zu detektieren. Genauer gesagt liegt es daran, dass das Atom und das Licht im Hohlraum bereits vor dem Entfernen des Spiegels verschränkt waren.

Aber, und hier müssen Sie Ihrem bescheidenen Erzähler vertrauen (oder, noch besser, sein neuestes Buch lesen): Das bedeutet nicht, dass Verschränkung unheimlich ist. Wenn man es durch q-Zahlen betrachtet, macht das den Unterschied.

Passt auf euch auf und bleibt dran (nächstes Mal werde ich noch physikalischer werden),

Vlatko