Es ist Verschränkung, nicht Komplementarität – Prof. Vlatko Vedral
Quelle: It’s Entanglement, Not Complementarity
Ich finde es erstaunlich, dass 100 Jahre später alle Universitäten in allen Ländern der Welt immer noch Quantenphysik nach der alten Kopenhagener Methode lehren. Warum haben wir nicht gelernt, es besser zu machen? Die Kopenhagener Interpretation des berühmten Doppelspaltexperiments lautet in der Regel wie folgt: Ein Quantenteilchen durchläuft zwei Spalte und erzeugt Interferenzen (manche würden sogar in Frage stellen, ob man sagen kann, dass es beide Spalte durchläuft – sie würden behaupten, dass man es messen müsste, um dies sagen zu können). Aber, so fährt die Kopenhagener Interpretation fort, dies gilt nur, wenn wir nicht beobachten, durch welchen Spalt das Teilchen hindurchgeht. Wenn wir hingegen wissen, durch welchen Spalt das Teilchen hindurchgeht, verschwindet die Interferenz.
Diese Darstellung ist aus mehreren Gründen irreführend. Erstens vermittelt sie uns den falschen Eindruck, dass wir als Beobachter einen entscheidenden Einfluss auf das Verhalten des Teilchens haben. Zweitens scheint sie zu suggerieren, dass das Betrachten von Überlagerungen diese zum Zusammenbruch bringt, und gleichzeitig deutet sie an, dass es auf unser Wissen über das Verhalten des Teilchens ankommt. All dies ist, um es ganz offen zu sagen, falsch.
Zunächst einmal sind Beobachter nicht erforderlich, um Quanteninterferenzen zu beseitigen (oder sie zu erzeugen). Außerdem gibt es so etwas wie einen Zusammenbruch von Quantenüberlagerungen nicht. Und schließlich spielt es keine Rolle, was wir über das Quantensystem wissen oder nicht wissen. Die Quantenphysik ist genauso objektiv wie die klassische Physik von Newton (Warnung: Nicht alle Quantenphysiker stimmen dem zu).
Sie könnten sagen: „Nun, das ist nur Ihre Meinung. Das ist nur Ihre eigene Interpretation der Quantenmechanik.“ Auch diese Aussage wäre falsch, und wir haben jetzt eine Reihe schöner Experimente, die zeigen, warum. Ich spreche von zwei aktuellen Physical Review Letters, in denen die Ergebnisse der Gruppen von Jian-Wei Pan (einem der führenden Experten für Quantencomputing) und Wolfgang Ketterle (Nobelpreisträger für Physik für die erste Bose-Kondensation von Atomen) veröffentlicht wurden.
Das Experiment, das sie durchführten (unabhängig voneinander, aber mit ähnlichen Aufbauten), war eine Variante des von Bohr und Einstein endlos diskutierten Experiments. Es war einer von Einsteins vielen Versuchen, der Quantenmechanik zu widersprechen. Er beharrte so sehr darauf, dass er „nicht glaubte, dass Gott mit dem Universum würfelt“, dass Bohr irgendwann die Geduld verlor und ihm sagte: „Bitte hör auf, Gott zu sagen, was er tun soll“.
Einsteins Idee war folgende: Wenn ein Teilchen durch den oberen Spalt geht, gibt es dem Bildschirm mit den Spalten einen Impuls nach oben, während es, wenn das Teilchen durch den unteren Spalt geht, einen Impuls in die entgegengesetzte Richtung gibt (dies ist lediglich eine Folge der Impulserhaltung). Einstein sagt also, wenn man den Impuls des Bildschirms misst, erhält man Informationen über den Impuls des Teilchens und kann dann die Position des Teilchens direkt messen. Dies sieht so aus, als könne man die Position und den Impuls eines Teilchens gleichzeitig kennen. Ergo wird Heisenbergs Unschärferelation verletzt, und da Einstein die Quantenphysik benutzte, um zu beweisen, dass die Quantenphysik falsch ist, muss die Quantenphysik inkonsistent sein. Mit anderen Worten, Einstein behauptete, dass man Interferenz haben kann, während man (scheinbar gleichzeitig) weiß, durch welchen Spalt das Teilchen geht, und dies ist ein klarer Verstoß gegen die Quantenphysik.
Es ist ein genialer Gedankengang, wie alle Gedankengänge Einsteins, aber (im Gegensatz zu den meisten seiner Gedankengänge) ist er falsch. Bohrs Antwort auf solche Argumente war jedoch immer verworren und bezog sich auf die Komplementarität. Die gängige Meinung ist, dass Bohr die Debatten gewonnen hat, aber es ist nicht immer ganz klar, wie und warum. Bohr würde etwa Folgendes sagen. Die Wellen- und Teilchenaspekte eines Quantensystems sind komplementär und können niemals gleichzeitig in ein und demselben Versuchsaufbau bestätigt werden. Wenn wir also Interferenz sehen wollen, muss ein Experiment aufgebaut werden, das das System wie eine Welle verhalten lässt. Wenn wir bestätigen wollen, dass es sich um ein Teilchen handelt, müssen wir einen Detektor aufstellen, der jedoch jegliches wellenartige Verhalten verhindert. Wie ich jedoch zu Beginn gesagt habe, legt diese Erzählung zu viel Gewicht auf unsere Entscheidungen, was wir tun und ob wir messen oder nicht.
Die Experimente von Pan und Ketterle zeigten genau, worum es geht (Hinweis: denken Sie an Schrödinger). Sie verwendeten ein einzelnes Atom, das in verschiedenen Zuständen der Impulsunsicherheit vorbereitet werden konnte: Sein Impuls befindet sich in einer Überlagerung verschiedener Werte. Nun kann dieses Atom ein Photon emittieren, und wir möchten sehen, ob dieses Photon interferieren kann. Das Photon kann in eine Richtung emittiert werden, wobei das Atom (wie der Bildschirm) in die entgegengesetzte Richtung zurückprallt. Wenn das Photon jedoch in eine andere Richtung emittiert wird, prallt das Atom in die entgegengesetzte Richtung zurück. Auf diese Weise wird der Zustand des Atoms mit dem Zustand des Photons verschränkt. Genauer gesagt, wird das in zwei verschiedene Richtungen emittierte Photon mit zwei verschiedenen entsprechenden Impulsen des Atoms verschränkt.
Jetzt können wir darüber sprechen, wann die Photoneninterferenz stattfindet, ohne dass wir die Welle-Teilchen-Dualität oder andere Begriffe der Komplementarität benötigen! Wenn das Photon maximal mit dem Atom verschränkt ist, verliert es seine Fähigkeit zur Interferenz. Dies geschieht, wenn der Impuls, den das Photon beim Aussenden auf das Atom ausübt, viel größer ist als seine anfängliche Impulsunsicherheit. Dann werden die Stöße in entgegengesetzte Richtungen zu perfekt unterscheidbaren Zuständen, die den Grad der Verschränkung zwischen den beiden maximieren. Ist der Stoß hingegen im Vergleich zur Unschärfe gering, bleiben die beiden atomaren Zustände nach der Emission praktisch identisch, sodass zwischen Atom und Photon nur eine geringe Verschränkung besteht – was die Möglichkeit einer photonischen Interferenz eröffnet. Man kann sagen, dass im ersten Fall das Atom den Weg des Photons gemessen hat, während dies im zweiten Fall nicht der Fall ist.
Beachten Sie jedoch, dass alle anderen Zustände zwischen „keiner” und „maximaler” Verschränkung möglich sind. In diesem Fall kann das Photon interferieren, wobei der Grad der Interferenz durch den Grad der Verschränkung verringert wird. Dieses „Zwischenszenario” wird manchmal als schwache Messung bezeichnet.
Im Allgemeinen gilt: Je stärker zwei Systeme verschränkt sind, desto weniger Quanteneigenschaften (Interferenz) kann jedes einzelne System für sich zeigen. Die Quanteneigenschaften (Verschränkung) auf der Ebene des Gesamtsystems verhindern also Quanteneigenschaften auf der niedrigeren Ebene der Teilsysteme. Dies ist ein Aspekt eines allgemeineren Prinzips, nämlich dass die Quantendynamik die Quanteneigenschaften bewahrt. Das ist alles, was es dazu zu sagen gibt. Keine Beobachter, keine Komplementarität, keine Welle-Teilchen-Dualität. Oder, wie der Philosoph A. J. Ayer es vielleicht ausgedrückt hätte: „Buh für Kopenhagen und Hurra für die Verschränkung”.
