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Quanten-Teleportation: Verschränkung ganzer Atome in ca. 1 Meter Distanz erstmals geglückt
Von Claus Fritzsche | 3.Februar 2009
Einem Team der University of Maryland ist es erstmals gelungen, ganze Atome über die Distanz von ca. einem Meter miteinander zu verschränken. Dies berichten die Forscher S. Olmschenk, D. N. Matsukevich, P. Maunz, D. Hayes, L.-M. Duan und C. Monroe in ihrem soeben publizierten wissenschaftlichen Beitrag »Quantum Teleportation Between Distant Matter Qubits« (SCIENCE, 23.01.2009, Vol 232, 486-489).
In der Quantenphysik spricht man von einer »Verschränkung« (engl. entanglement), wenn unterschiedliche Quantenobjekte – beispielsweise Elektronen, Photonen oder aber ganze Atome – nicht mehr als separate Objekte mit unterschiedlichen Zuständen … und stattdessen nur noch als ein identisches System beschrieben werden können. Zwei oder auch mehr verschränkte Teilchen verhalten sich so, als ob sie wie mit einem unsichtbaren Faden miteinander verbunden wären. Verändert man beispielsweise den Spin (Drehung um die eigene Achse) eines Photons A, so verändert sich zeitgleich der Spin des verschränkten Geschwister-Photons B in identischer Weise. Prof. Harald Weinfurter und Prof. Anton Zeilinger konnten dieses Phänomen sogar über eine Distanz von 144 km nachweisen. 2007 publizierten Weinfurtner und Zeilinger ein Experiment (»Entanglement-based quantum communication over 144 km«, Nature Physics 3, 481 – 486, 2007; doi:10.1038/nphys629 ), im Rahmen dessen sie auf der Kanarischen Insel La Palma verschränkte Photonen erzeugten und mittels Teleskop auf eine 144 km lange Reise zur Nachbarinsel Teneriffa schickten (→ »Verschränkung von Photonen über 144 km Distanz gelungen!«).
Die Forschungsgruppe von Prof. Nicolas Gisin an der Universität Genf ging noch einen Schritt weiter. Sie prüfte, was passiert, wenn der Spin eines Geschwister-Photons nachträglich verändert wird. Unmittelbar nach der Erzeugung verschränkter Photonen verfügen diese über einen identischen Spin. Wurde nun der Spin von Photon A nachträglich verändert, so veränderte sich der Spin von Photon B bei den Genfer Experimenten zeitgleich. Und dies, obwohl die Geschwister-Photonen 18 km voneinander entfernt waren. Wer die Details nachlesen will, der findet eine allgemeinverständliche Zusammenfassung im Heise-Artikel »Außerhalb der Raumzeit« oder über den folgenden Link die Original-Publikation »Testing the speed of ›spooky action at a distance‹« (Nature 454, 861-864, doi:10.1038/nature07121). Unter Quantenphysikern hat sich die Sichtweise durchgesetzt, dass dieses Phänomen theoretisch auch dann auftreten würde, wenn die verschränkten Photonen nicht 18 km sondern einige Lichtjahre voneinander entfernt wären.
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Das Doppelspaltexperiment
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Das Doppelspaltexperiment gilt als das wichtigste Experiment der Quantenmechanik. Es beweist, dass Quantenobjekte wie z. B. Elektronen (Materie) oder Photonen (Licht) sowohl Teilchen- als auch Wellen-Charakter haben. Und es demonstriert, dass der Beobachter selbst festlegt, wie sich ihm Quantenobjekte präsentieren. Lesen Sie unter Wikipedia nach, wie das Doppelspaltexperiment gemäß der (etablierten) Kopenhagener Deutung oder gemäß der Viel-Welten-Theorie interpretiert wird.
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Verschränkung
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Wikipedia über Verschränkung: »Die Quantenverschränkung ist ein quantenmechanisches Phänomen. Dabei können zwei oder mehr verschränkte Teilchen nicht mehr als einzelne Teilchen mit definierten Zuständen beschrieben werden, sondern nur noch das Gesamtsystem als solches. Man kann allerdings die Abhängigkeiten zwischen den bei einer Messung auftretenden Zuständen der Einzelteilchen angeben. Dies führt zu tieferen Beziehungen zwischen den physikalischen Eigenschaften (Observablen) der Systeme, als sie von der klassischen Physik bekannt sind.« (→ Wikipedia Verschränkung)
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Quantenphysik & Spiritualität
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Gibt es einen Zusammehang zwischen dem quantenphysikalischen Phänomen der Verschränkung und menschlichem Bewusstsein? Der amerikanische Hirnbiologe Stuart Hameroff weist in Zusammenarbeit mit dem englischen Physiker Roger Penrose darauf hin, dass hier möglicherweise eine quantenphysikalische Feinstruktur verborgen liegt, die unabsehbare Folgen für das Verstehen von Gehirn und Geist haben kann. Auch wenn entsprechende Forschungsarbeiten bisher nur explorativen Charakter haben, so steht das Thema Quantenphysik & Bewusstsein … oder besser Quantenphysik & Biokommunikation auf der Agenda. Siehe auch: Prof. Dr. Günter Ewald: »Hirnforschung und Quantenphysik« und »Ist der ›chaotische Attraktor‹ das lange gesuchte Bindeglied zwischen quantenmechanischen Mikro- und neurobiologischen Makro-Phänomenen? «
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Geschichte der »Verschränkung«
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Das Phänomen der »Verschränkung« wurde erstmals 1935 als theoretische Folge der Quantenmechanik postuliert. Einstein, Podolski und Rosen formulierten 1935 das EPR-Paradoxon, wonach die Verschränkung von Quantenzuständen zu einer Verletzung des lokalen Realismus führen würde. Einstein sprach damals von einer »spukhaften Fernwirkung«, glaubte jedoch an eine Täuschung und den Einfluss verborgener Variablen. In den 1960er Jahren setzte sich u. a. als Folge der Arbeiten des nordirischen Physikers John Bell die Sichtweise durch, dass die »Verschränkung« tatsächlich ein reales Phänomen ist und nicht durch verborgene Variablen erklärt werden kann. Seit dieser Zeit gilt die »Verschränkung« als wissenschaftlich anerkanntes und experimentell belegtes physikalisches Phänomen.
1982 machte dann der Physiker Alain Aspect die Verschränkung von Teilchen zum Inhalt eines Experiments, welches Anton Zeilinger – der es verfeinerte und mediengerecht präsentierte – weltberühmt machte. Alain Aspect erzeugte gleichzeitig zwei polarisierte Photonen, die in jeweils entgegengesetzte Richtung auseinander flogen und schickte diese durch je einen Polarisationsfilter. Aspect zeigte, dass verschränkte Photonen nicht nur eine spekulative theoretische Annahme sind und sich in der Praxis tatsächlich experimentell nachweisen lassen. Anton Zeilinger übernahme das Experimentaldesign von Aspect erstmals 1997 in seinem Teleportationsexperiment an der Universität Innsbruck. Nach seinem Wechsel nach Wien 1999 verfeinerte Anton Zeilinger die Experimente kontinuierlich und führte sie erfolgreich in der Kanalisation Wiens durch.
Bis zum Jahr 2004* wurden Verschränkungs-Experimente mit Photonen, nicht jedoch mit ganzen Atomen durchgeführt. Im Sommer 2004 ging dann eine Sensationsmeldung um den Globus. Der Arbeitsgruppe des Innsbrucker Experimentalphysikers Prof. Rainer Blatt gelang es erstmals, ganze Atome zu verschränken und den Quantenzustand aufeinander zu übertragen (→ Deterministic quantum teleportation with atoms, Nature 429, 734-737; 17 June 2004; doi:10.1038/nature02570). Dabei wurden einzelne, ionisierte Kalziumatome auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt und nach einer hoch komplexen Prozedur miteinander verschränkt (→ Erste Teleportation mit Atomen). Wird nun berücksichtigt, dass die Innsbrucker Physiker bei ihrem Experiment eine Strecke von gerade einmal 10 Mikrometern überwanden, so verdeutlicht dies den spektakulären Charakter der aktuellen Forschungsarbeit an der University of Maryland. Hier verschränkte die Arbeitsgruppe ganze Atome über eine Distanz von rund einem Meter.
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Die Bedeutung der »Verschränkung«
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Entdecken Menschen spektakuläres wissenschaftliches Neuland, so interpretieren sie die Ergebnisse überwiegend im Kontext des jeweils vorherrschenden Weltbildes. Als Luigi Galvani am 6. November 1780 beim Experimentieren mit Froschschenkeln die Elektrizität entdeckte (durch die Berührung mit Kupfer und Eisen brachte er die Muskeln zur Kontraktion), da konnte er die Folgen seines Versuchs noch nicht einmal erahnen. Weder er noch seine Zeitgenossen hätten zu diesem Zeitpunkt abschätzen können, dass Elektrizität in späteren Jahrhunderten einmal die Grundlage bilden würde, um – aus damaliger Sicht – unvorstellbar komplexe Technologie zu entwickeln. Trotzdem konnte sich Galvani (z.B. im Vergleich zum finsteren Mittelalter) am Puls der Zeit und im Zentrum des Fortschritts fühlen. Die Zivilisation des Jahres 1780 war der Zivilisation früherer Jahrhunderte (gefühlt) »haushoch überlegen«.
Unser Umgang mit dem Phänomen der »Verschränkung« hat vielleicht mehr Ähnlichkeit mit Galvanis Einschätzung der Elektrizität, als uns bewusst ist. Für ihn war es zunächst einmal hoch interessant und faszinierend, dass man Froschschenkel mit Eisen und Kupfer zum »Zucken« bringen kann. Wird heute in den Medien über Verschränkungs-Experimente berichtet, so sind Begriffe wie z. B. »Quantencomputer« und »Beamen« möglicherweise das aktuelle Äquivalent zu den wunderlich zuckenden Froschschenkeln des Jahres 1780. Mal ehrlich, wozu soll diese seltsame »Verschränkung« schon gut sein? Im Jahr 1780 gab es ganz andere Probleme – z. B. erklärte Großbritannien den Niederlanden am 20. November 1780 den Krieg – die sich mit Kupfer, Eisen und Froschschenkeln nicht wirklich beeinflussen ließen.
Erlauben wir uns jedoch etwas mehr gedankliche Flexibiltät und Phantasie, so kann das Phänomen der »Verschränkung« – insbesondere die Verschränkung ganzer Atome – einen bisher unvorstellbaren Paradigmenwechsel einleiten. Sind wir für die hypothetische Möglichkeit offen, dass es Verschränkungs-Phänomene nicht nur im künstlichen Experiment sondern auch in der uns bekannten Welt gibt, so könnte dies für einen holografischen Charakter unseres Universums sprechen. Eine Welt, in der ALLES MIT ALLEM unter ganz bestimmten Bedingungen verbunden sein kann, so wie es der Neurochirurg, Hirnforscher und Nobelpreisträger Karl H. Pribram und der Quantenphysiker David Bohm in ihrem Konzept des »Holografischen Weltbildes« postuliert haben (→ Michael Talbot: Das holographische Universum).
In einer Vorlesung an der Universität Wien äußerte sich Prof. Harald Walach schon 2003 wie folgend:
»Wir gehen in unserer normalen Alltags- und Wissenschaftsontologie davon aus, dass die Welt aus Teilen und Elementen bestehen, die räumlich voneinander getrennt sind und durch externe Wechselwirkungen verschiedener Kräfte miteinander in Verbindung stehen. In der Physik sind dies die vier Grundkräfte. Die für uns wichtigste ist die elektromagnetische, weil sie gleichzeitig diejenige Kraft ist, die auch unsere Sinnesorgane affiziert und uns damit unser Bild von der Welt vermittelt: Wir sehen uns als von anderen und der Welt Getrennte und nehmen Gegenstände als räumlich getrennt und Ereignisse in einer gewissen zeitlichen Folge wahr. Dieses Weltbild wird im wesentlichen durch die theoretischen Vorstellungen der klassischen Physik geprägt. Wir nennen es darum oft auch ›klassisch‹ oder sprechen von der ›Lokalitätsannahme‹. Ihr zufolge kann es nur solche Ursachen und Wechselwirkungen geben, die durch lokale Signale und Energieaustauschprozesse zustande kommen.
Die Entwicklung der Quantenphysik hat unsere Alltagsvorstellung einer klassischen Welt durcheinandergebracht, ohne dass dies bislang wahrnehmbaren Einfluss auf die Psychologie, die Medizin oder andere Wissenschaften von unserer Welt der Alltagsdinge und -begebenheiten gehabt hätte. Beispielsweise sagt der Formalismus der Quantenmechanik aus, dass Elemente eines Quantensystems miteinander korrelativ in Verbindung bleiben, obwohl keine lokalen Wechselwirkungsprozesse stattfinden. Dies ist unter dem Terminus ›Einstein-Podolsky-Rosen-Korrelation‹ bekannt, oft auch als Quanten-Nichlokalität bezeichnet. Unklar ist allerdings, ob und inwiefern und wieweit diese Quantenprozesse unsere Makro-Welt beeinflussen. Dies wird derzeit unter dem Terminus ›Dekohärenz‹ in der Physik heiß diskutiert. In diesem Vortrag will ich dafür plädieren, dass die grundlegende Nichtlokalität, die der Quantenphysik eigen ist, unter bestimmten Umständen auch für unsere Alltagswelt eine Rolle spielt und zwar vermutlich mehr, als wir denken.«
Quelle: Google Cache einer Webseite der Universität Wien
Wikipedia: »Dekohärenz«
Video: »Was ist Dekohärenz?«
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Gut, für die gefühlte Welt des Jahres 2009 sind dies alles schwere Brocken. Auch für Luigi Galvani wäre es im Jahre 1780 eine größere Herausforderung gewesen, die Verbindung zwischen seinen zuckenden Froschschenkeln und … sagen wir einmal einem Airbus A380 zu erkennen. Späteren Generatione könnte es vorbehalten sein, über den niedrigen Entwicklungsstand unserer Zeit zu schmunzeln.
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NewScientist: Teleporter sends ions on fantastic journey
ScienceNews: Quantum information teleported between distant atoms
SPIEGEL ONLINE: Quanten-Teleportation über einen Meter geglückt
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Themen: Claus Fritzsche | 11 Kommentare »
27th.März 2009 um 9:09 am
[...] Quanten-Teleportation: Verschränkung ganzer Atome in ca. 1 Meter Distanz geglückt [...]
27th.März 2009 um 9:19 am
[...] Quanten-Teleportation: Verschränkung ganzer Atome in ca. 1 Meter Distanz geglückt [...]
27th.November 2009 um 6:10 pm
[...] sich nicht auf der Ebene der Newtonschen Mechanik ab. Es geht, so die Theorie der Forscher, um Verschränkungs-Prozesse auf einer quantenphysikalischen [...]
14th.Juni 2010 um 10:40 am
[...] eine Illusion ist, weil unsere Welt „materialisierter Geist“ ist, weil wir alle miteinander verschränkt sind (wenn wir nicht gerade – jeder für sich – beschränkt sind), weil ja auch die Sache mit den [...]
27th.Juli 2010 um 8:04 pm
Könnten also die verschränkten Photonen mit einander sogar mit Überlichtgeschwindigkeit kommunizieren?
Bell vermutete, dass das Verhalten der Photonen eben doch nicht zufällig sein kann und durch noch unbekannte, verborgene Eigenschaften der Teilchen hervorgerufen worden sind, die schon bei der Trennung der beiden verschränkter Photonen festlegt wurden.
Die Quantenmechaniker eine übermächtige Gruppe innerhalb der Physik versucht uns einzureden, dass die „Bell’sche Ungleichung“ verletzt ist.
Hier eine Lösung die durch ihre Einfachheit verblüfft.
http://www.cwirko.de/Das%20einheitliche%20Konzept%20der%20Physik.pdf
29th.Juli 2010 um 8:26 pm
@ Ireneusz Cwirko
Könnten also die verschränkten Photonen mit einander sogar mit Überlichtgeschwindigkeit kommunizieren?
Nein – genau das müssen sie nicht, wenn sie sich WIE EIN SYSTEM verhalten. Auf einer uns bisher unbekannten Ebene gibt es KEINE RÄUMLICHE TRENNUNG, sodass auch nichts von A nach B kommuniziert werden muss.
Vom Charakter her ist dies eher mit einem Hologramm vergleichbar, in dem jeder Ort alle Informationen enthält.
Zur Interpretation der Quantenmechanik siehe auch Wikipedia …
8th.September 2010 um 8:28 am
[...] Dr. Harald Walach beispielsweise einen quantenphysikalischen Ansatz, in dem das Phänomen der sog. Verschränkung eine Rolle spielt. Begleitende experimentelle Studien zeigten bereits spektakuläre Effekte. [...]
2nd.Oktober 2010 um 12:41 pm
[...] Quanten-Teleportation: Verschränkung ganzer Atome in ca. 1 Meter Distanz erstmals geglückt [...]
7th.Februar 2012 um 4:50 pm
[...] im eigentlichen Sinne als „inkompatibel“ oder komplementär bezeichnet werden, auch Verschränkungsphänomene vorkommen [...]
17th.Februar 2012 um 4:09 pm
[...] Schulte von Drach hatte den Eindruck erweckt, Walach würde die Homöopathie durch das Prinzip der Quantenteleportation außerhalb strikter Quantensysteme erklären. Die zur sog. Schwachen Quantentheorie publizierten [...]
23rd.Februar 2012 um 10:08 pm
[...] empirisch ausreichend bestätigt und allgemein akzeptiert worden: die sog. EPR-Korreliertheit oder Verschränkung innerhalb quantenphysikalischer [...]