2.8 Verschränkung – das EPR-Experiment Im Jahre 1935 beschrieben Einstein und seine Mitarbeiter Podolsky und Rosen ein Gedankenexperiment, das Schwierigkeiten mit der Interpretation der Quantenmechanik aufzeigen sollte. Einstein betrachtete die quantenphysikalische Beschreibung der Welt als unvollständig. Im Jahre 1982 wurde das vorgeschlagene Experiment (EPR-Experiment, 114.1) erstmalig durchgeführt, 1998 wurde es von Anton Zeilinger und Mitarbeitern an der Universität Innsbruck perfektioniert. Im Innsbrucker Experiment wurden mittels Laser und einem doppelbrechenden Kristall Paare von Photonen hergestellt. Jeweils ein Photon war horizontal, das andere vertikal polarisiert, doch welches der beiden Photonen horizontal polarisiert ist, ist unbekannt. Solche Photonenzustände werden verschränkte Zustände genannt. Die Photonen wurden in getrennte Glasfasern eingespeist, die zu 400 m voneinander entfernten Messplätzen führten. Dort trafen sie vor dem Detektor auf je einen Analysator. Während der Flugzeit der Photonen wurden die Analysator-Stellungen zufällig verändert. Die Messungen erfolgten unabhängig voneinander an jedem der gleichzeitig erzeugten Photonen. Die Zeit, innerhalb der die Messungen an den Photonenpaaren erfolgten, hätte nicht gereicht, um eine Nachricht zwischen den Messplätzen zu übertragen. Die nachträgliche Auswertung der Daten ergab eine völlige Bestätigung der Vorhersagen der Quantenphysik. Insbesondere bei gleichzeitiger Messung mit zufällig gewählten, jedoch um 90° gegeneinander gedrehten Analysator-Stellungen wurden – abgesehen von erklärbaren optischen Verlusten – Photonen paarweise registriert. Die Polarisationsrichtung der Photonen ist so lange unbestimmt, bis sie gemessen wird. Woher „weiß“ ein Photon, wie sich sein Partner bei einem weit entfernten Polarisator „entschieden“ hat? Einstein hat diesen Effekt als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet, denn wie sollte das zweite Photon wissen, welche Polarisation das erste Photon bei der Messung hatte. Einstein konnte sich mit dieser Fernwirkung nicht abfinden. Die Quantenphysik sagt: Verschränkte Quantenobjekte haben eine gemeinsame Wellenfunktion und sind nicht voneinander unabhängig, bis Störungen durch die Umwelt diese Verschränkung aufheben. Im beschriebenen Experiment könnte die Störung durch schlechte Lichtleiter erfolgen, die zufällig die Polarisation von Photonen verändern. Dann würden sich die Photonen wie klassische Teilchen verhalten und keine Korrelationen bei den Messungen zeigen. Die Verschränkung ist die Grundlage von weiterführenden Experimenten mit drei und mehr Photonen (Teleportation von Quanteneigenschaften). An Anwendungen der Quanten-Verschränkung auf Quantencomputer wird weltweit geforscht. Grundlagenforschung zur Quantenphysik erfolgt in Österreich schwerpunktmäßig an Universitäten und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck und Wien (siehe auch S. 6, Prof. Ferlaino). Schrödingers Katze Mit einem Gedankenexperiment wollte Schrödinger 1935 auf Verständnisprobleme der Quantenphysik hinweisen. In einer Kiste befinden sich eine Katze und ein radioaktives Atom, das mit 50 %iger Wahrscheinlichkeit innerhalb einer Stunde zerfällt, worauf eine Maschine die Katze tötet. Atom und Katze bilden wie polarisierte Photonenpaare ein verschränktes Quantensystem. Nach einer Stunde beschreibt die Wellenfunktion des Systems folgenden Zustand: Mit je 50 %iger Wahrscheinlichkeit ist das Atom nicht zerfallen und die Katze lebt, bzw. das Atom ist zerfallen und die Katze ist tot. Entscheidet sich das Schicksal der Katze erst bei einer Messung, beim Öffnen der Kiste? Wäre das nicht sonderbar? Eine vielfach akzeptierte Lösung sagt, dass makroskopische Objekte (Lebewesen) immer mit der Umwelt in Kontakt stehen und ihren Zustand z.B. durch Wärmestrahlung anzeigen. Dadurch wird die Verschränkung Atom-Katze aufgehoben – dies wird als Dekohärenz bezeichnet. Die Entscheidung „Katze tot oder lebendig“ fällt daher sofort. 114.1 Erstes EPR-Experiment: Eine Quelle mit angeregten Atomen sendet zwei verschränkte Photonen gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen aus. Ihre Polarisationen werden mittels Analysatoren gemessen. Die Wahrscheinlichkeit von gleichen Polarisationen hängt vom Winkel zwischen den Analysator- Richtungen ab. Das Experiment ergab volle Übereinstimmung mit den quantenphysikalischen Vorhersagen. Quelle y z x Analysator 1 Detektor 1 Analysator 2 Detektor 2 Apparat 1 Apparat 2 114.2 Ein anderes bahnbrechendes Experiment gelang dem Team von R. Grimm und F. Schreck 2003 in Innsbruck: Cäsium-Atome bilden bei Abkühlung auf etwa 10–10 K einen neuen Materiezustand, das von Einstein 1924 vorhergesagte Bose-Einstein-Kondensat. 114.3 Schrödingers Katze: Schrödinger wollte mit dem Gedankenexperiment die Problematik aufzeigen, die bei der Anwendung quantenmechanischer Gesetze auf die Makrowelt entsteht. Befindet sich Schrödingers Katze in einem Zustand zwischen Leben und Tod, bis der Behälter geöffnet wird? 114 Quantenphysik 2 Grundideen der Quantenphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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