Was ist Quantenverschränkung?

Herr Schrödinger ging einmal Schuhe einkaufen. Schließlich ging er mit dem Schuhkarton zur Kasse und war kurze Zeit später stolzer Besitzer eines neuen Schuhpaares.

Doch zu Hause angekommen stellte er fest, dass sich im Schuhkarton nur ein Schuh befindet. Als er den Schuh genauer betrachtete, stellte er fest, dass es sich um den linken Schuhe handelte. Er wusste sofort, dass der Schuh, der sich noch im Schuhladen befindet, der rechte Schuh ist.

Scheinbar hat der Schuh in seinem Schuhkarton dem Schuh im Schuhladen unmittelbar mitgeteilt, welche Schuhform dieser anzunehmen hat. Physiker würden nun sagen: Das Schuhpaar ist verschränkt.

Allgemein gilt für verschränkte Quantenobjekte, dass diese in einer Eigenschaft miteinander verknüpft sind. Hier wird auch von Quantenverschränkung gesprochen. Albert Einstein beschrieb diesen Effekt als "spukhafte Fernwirkung". Die Quantenobjekte sind nicht nur lokal miteinander verschränkt, sondern auch wenn sie voneinander entfernt liegen.

Herr Schrödinger hätte mit dem Schuhkarton auch auf den Mars reisen und dort diesen öffnen können und das Ergebnis wäre gleich: Er findet einen Schuh, bestimmt dessen Form und der zurückgebliebene Schuh wird damit augenblicklich eine Form zugewiesen.

Überlichtschneller Informationsaustausch?

Nach den Gesetzen der Natur kann sich keine Information oder Wirkung schneller als mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit ( ungefähr 300000 km/s) ausbreiten. Das gilt auch für den Informationsaustausch mit Quantenteilchen. Doch bei dem Beispiel mit dem Schuh scheint es so, dass sich die Information überlichtschnell zum anderen Schuh des Schuhpaares ausgebreitet hätte.

Tatsächlich fand aber kein Informationsaustausch statt. Herr Schrödinger selbst hat die Information nicht übertragen. Er wusste zu Beginn gar nicht, welches Schuhpaar sich im Karton befand und konnte so auch gar keine Information übertragen.

Bei realen Quantenteilchen wird der Zustand eines Quantenteilchens erst bei dessen Messung bestimmt. Vor der Messung sind beide Zustände gleichzeitig möglich. Physiker sprechen hier auch von Superposition. Als wäre gleichzeitig die linke und rechte Schuhform im Schuhkarton vorhanden.

Informationsaustausch mit Quantenverschränkung

Um dennoch mittels verschränkte Quantenobjekte Informationen übertragen zu können, wird ein zusätzlicher Informationskanal benötigt. Auf diesen zusätzlichen Kanal wirken wieder die Effekte der speziellen Relativitätstheorie. Informationen und Wirkungen können sich maximal mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Beispiel aus der Quantenkryptografie

Der Sender Alice möchte Bob eine geheime Nachricht übermitteln. Hierfür benutzen sie Photonenpaare, die in ihrer Polarisation miteinander verschränkt sind. Zum "Senden" benutzt Alice Photonen mit zufällig zugewiesenen Polarisationen, beim "Empfangen" misst Bob mittels einem zufällig ausgerichteten Polarisationsfilter die Polarisation.

Alice "sendet" nun zufällig eine Polarisation über das verschränkte Photon an Bob: Entweder eine Polarisation der Basis nichtschräg (horizontal und vertikal) oder eine Polarisation der Basis schräg (linksdiagonal und rechtsdiagonal). Bob "empfängt" mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% die richtige der beiden Basen. Diesen Vorgang wiederholen beide. Hierbei muss Alice darauf achten, dass alle ihrer "gesendeten" Polarisationen mit gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten. Bob wiederum muss darauf achten, dass er beim "Empfang" alle unterschiedlichen Ausrichtungen des Polarisationsfilter ebenfalls mit gleicher Wahrscheinlichkeit verwendet.

Nachdem ausreichend Werte mittels der verschränkten Photonen ausgetauscht wurden, tauschen sich nun Alice und Bob über eine sichere Leitung aus: Alle Übertragungen, in denen beide unterschiedliche Basen gesendet und empfangen haben, werden verworfen, die restlichen übereinstimmenden Basen bilden die übertragende Information. Jedoch wissen nur Alice und Bob, welche der übertragenden Informationen die übereinstimmenden Basen sind. Diese werden nun willkürlich Bitwerte zugewiesen, womit nun Daten verschlüsselt werden können.

Anmerkung

Das Beispiel mit dem Schuhkarton ist kein quantenmechanisches System. Es dient hier lediglich als grobe Veranschaulichung der Quantenverschränkung.

Quellen

https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenverschr%C3%A4nkung https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenschl%C3%BCsselaustausch

Dieser Post wurde von rockyb.musics Kommentar inspiriert.

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