Mario Sedlak
Quantentheorie
Wissenschaft
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Verschränkte Quantenzustände

In der Quantentheorie hat jedes Teilchen einen Zustand, der bestimmt, welche Messungen an diesem Teilchen mit welcher Wahrscheinlichkeit welches Ergebnis zeigen. Es kann aber sein, dass Messungen an zwei verschiedenen Teilchen nicht unabhängig voneinander sind. Man sagt dann, diese Teilchen sind in einem gemeinsamen verschränkten Zustand.

Beispiel

Zwei Lichtteilchen (Photonen) können bei einem Vorgang gemeinsam entstehen, so dass sie in derselben Richtung polarisiert sein müssen. Man weiß nicht, in welcher Richtung sie polarisiert sind, aber wenn eines durch einen Polarisator geht, dann geht das andere mit Sicherheit ebenfalls durch.

Konsequenzen

Durch Messung an einem verschränkten Teilchen, kann man etwas über ein anderes Teilchen aussagen, ohne dieses durch eine Messung zu stören. Die zwei Lichtteilchen waren vor der Messung in einem Zustand, wo alle Polarisationsrichtungen gleich wahrscheinlich sind. Nach der Messung befinden sich beide in einem Zustand, wo die Richtung genau bestimmt ist. Das geschieht augenblicklich, auch wenn die Teilchen inzwischen sehr weit voneinander entfernt sind.

Bis hierhin ist noch nichts Rätselhaftes passiert:

Das Erstaunliche kommt erst jetzt: Man kann zeigen, dass die Richtung nicht von vornherein feststehen konnte! Der Beweis geht so:

Im Kern ist diese Diskrepanz auf folgendes "Dilemma" zurückzuführen:

  1. Die verschränkten Lichtteilchen "wollen" unbedingt das Gleiche tun, wenn beide Polarisatoren gleich ausgerichtet sind.
  2. Sie können nur ganz oder gar nicht durch einen Polarisator gehen.
  3. Einen Polarisator, der um den Winkel a gegenüber ihrer Polarisationsrichtung verdreht ist, dürfen sie nur mit der Wahrscheinlichkeit cos2 a passieren (Gesetz von Malus).

Wenn die Lichtteilchen schon von vornherein eine bestimmte (uns unbekannte, zufällige) Polarisationsrichtung haben und diese beibehalten, dann würden sie aufgrund von Regel 3 nicht immer das Gleiche tun. "Entscheidet" sich Lichtteilchen 1, durch den Polarisator zu gehen, dann muss Lichtteilchen 2 die durch diesen Polarisator definierte Richtung übernehmen. Nur dann kommt es mit Wahrscheinlichkeit 1 (d. h. sicher) auch durch. Wenn beide Polarisatoren zueinander um 20° verdreht sind, dann ergibt sich der Fehler nach Regel 3 zu 1 – cos2 20°. Das ist aber mehr als 2·(1 – cos2 10°), weil 1 – cos2 a quadratisch wächst, d. h. eine Verdopplung des Winkels a führt (ungefähr) zur Vervierfachung des Fehlers (solange a nicht zu groß wird).

Grundlegende Folgerungen

Die Ergebnisse zeigen, dass einer anschaulichen Interpretation der Quantentheorie prinzipielle Grenzen gesetzt sind:

Kein Paradoxon

Wenn du jetzt denkst: "Das kann doch nicht so sein!", dann bist du nicht der Einzige (siehe Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon). Doch der Natur gelingt es geschickt, sich nicht in Widersprüche zu verwickeln:

Das scheinbare Paradoxon ist für die Quantentheorie selbst überhaupt kein Problem. Es ergibt sich ganz natürlich, dass das, was an einer Stelle gemessen wird, mit dem verknüpft ist, was irgendwo anders gemessen wird.[2]

Mein Fazit

Verschränkte Quantenzustände zeigen, dass die Vorstellung von getrennten, eigenständigen Teilchen nur näherungsweise richtig ist.

Weiter

Beziehung der Quantentheorie zum Makrokosmos

Siehe auch

Weblinks

Quellen

[1] Bram Gaasbeek: Demystifying the Delayed Choice Experiments (PDF), S. 3
[2] Richard P. Feynman u. a.: Vorlesungen über Physik. Band 3: Quantenmechanik. München: Oldenburg, 1987 (amerik. Original 1963), S. 398f.