Quantenverschränkung einfach erklärt

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Quantenverschränkung einfach erklärt: was versteht man darunter? Und warum ist es damit möglich, Information quasi „telepathisch“ über beliebige Entfernungen und ohne Zeitverlust zu übermitteln? Und bietet die Quantenverschränkung gar die Möglichkeit, Dinge zu teleportieren, wie Scotty es in Star Trek vollbringt?

Zuerst einmal: was sind eigentlich Quanten? Ein Quant ist die kleinste, nicht teilbare Einheit einer physikalischen Größe. Also, salopp gesagt, im Grunde die kleinsten Energieeinheiten eines Systems. Das können (im Falle von Licht und elektromagnetischen Feldern) zum Beispiel einzelne Photonen, also Lichtteilchen sein. Verglichen mit einem Ozean oder einem Wasserstrahl wäre ein Quant ein einzelner, unteilbarer Tropfen.

Eines haben alle Quanten gemeinsam, und daher haben sie auch ihren Namen: ihr Zustand ist quantisiert. Das heisst, sie treten nur in bestimmten, fest definierten Grössen und Energieniveaus auf, ähnlich einem Ofenschalter, der beispielweise nur drei Schalterpositionen kennt. Ein Quant könnte dann eine dieser drei Positionen einnehmen, aber nichts dazwischen. Nehmen wir an, ein Quant hat ein Energieniveau von „1“. Führt man Energie hinzu oder regt das Quant an, springt es auf das Niveau von „2“. Und dann auf „3“. Aber es kann sich nie irgendwo zwischen diesen fest definierten Zuständen befinden. Daher spricht man also von Quantelung, also „Stückelung“.

Als „Quantensprung“ bezeichnet man den Wechsel eines Quants von seinem vorigen Zustand auf den nächsthöheren oder -niedrigeren. Witzigerweise ist ein Quantensprung damit genau das Gegenteil von dem, was man Umgangssprachlich damit ausrücken möchte: nämlich keine grösstmögliche, gewaltige Veränderung, sondern im Grunde die kleinstmögliche Veränderung des Zustands eines Quants.

Aber was ist nun Quantenverschränkung?

Eine Quantenverschränkung wird erzeugt, wenn Quantenobjekte in einer Quelle gemeinsam als Paar erzeugt werden.

Durch gewisse Verfahren lassen sich mehrere Quanten auch miteinander verschränken. Eine Quantenverschränkung wird erzeugt, wenn Quantenobjekte in einer Quelle gemeinsam als Paar erzeugt werden. Sind zwei Quanten miteinander verschränkt, existiert eine seltsame, dauerhafte Bindung zwischen ihnen – egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Wird eines der Quanten dann verändert, ändert sich das mit mit ihm verschränkte Quant augenblicklich auch. Ohne Zeitverzögerung und ganz egal, welche Entfernung zwischen ihnen liegt.

Quanten haben seltsame Eigenschaften: so lange ein Quant nicht gemessen wird, ist sein Zustand unbestimmt. Das nennt man „unscharf“. Erst wenn man es beobachtet, also eine Messung stattfindet, nimmt ein Quant einen ganz bestimmten, nun definierbaren Zustand ein. Und das mit ihm verschränkte Teilchen nimmt dann ebenfalls augenblicklich, ohne die geringste Zeitverzögerung, den selben Zustand ein.

Veranschaulichen lässt sich das so: Man stelle sich Äpfel vor, aber keine gewöhnlichen Früchte, sondern Quantenäpfel. Schaut man nicht hin, kann sich so ein Quantenapfel nicht entscheiden, ob er grün ist oder rot – er wechselt zwischen beiden Farben bzw ist beides gleichzeitig! Erst wenn man hinsieht, entscheidet er sich für eine Farbe, zum Beispiel rot. Ist dieser Apfel nun mit einem zweiten Quantenapfel verschränkt, passiert etwas Verblüffendes: In dem Augenblick, in dem man den einen Apfel anschaut und er eine bestimmte Farbe annimmt, sagen wir rot, legt sich auch der andere Apfel fest und ist unverzüglich grün – und zwar unabhängig davon, wie weit beide Äpfel voneinander entfernt sind und ohne, dass irgendwelche Informationen von einem zum andern hätte gelangen können.

Denken wir kurz darüber nach: wenn beide Quanten den selben Zustand augenblicklich einnehmen, also ohne Zeitverzögerung – und es dabei völlig egal ist, welche Entfernung sich gerade zwischen beiden befindet – wie kann das möglich sein? Nehmen wir an, beide Quanten befinden sich gerade ein Lichtjahr auseinander. Würden die beiden Quanten Informationen auf klassische Weise austauschen, würde es also mindestens ein Jahr dauern, bis eines der beiden Quanten von der Änderung des anderen erfährt.

Tatsächlich ändern sich aber beide völlig gleichzeitig, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Demnach müsste die Information über die Zustandsänderung des einen Quants dann ja quasi schneller als das Licht zum anderen Quant übertragen werden. Laut Einstein kann sich aber nichts im Universum schneller als das Licht bewegen.

Wir müssen daraus also schlussfolgern, das keine Informationen zwischen den beiden Teilchen übertragen werden – zumindest nicht auf bekannte Art und Weise. Denn die könnten sich höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Das verwirrte auch Einstein. Er traute der Sache nicht und vermutete hinter dem wirren Treiben irgendwelche verborgenen Variablen, die hinter den Kulissen die Fäden ziehen. Diese verborgenen Variablen, die jedes Teilchen angeblich mit sich herum trug (ähnlich den Genen bei einem Menschen) sollten erklären, warum zwei weit voneinander getrennte, aber miteinander verschränkte Teilchen voneinander wussten, welchen Zustand sie einzunehmen haben.

Einsteins These: Wenn man diese Variablen kennen würde, ließe sich diese „spukhafte Fernwirkung“ mit den Gesetzen der klassischen Physik erklären. Ja, das wäre schön einfach gewesen. Mittlerweile wurde durch Experimente aber immer wieder bewiesen, das es diese verborgenen Variablen, also „Gene“ bei Teilchen nicht gibt. Aber woher zum Kuckuck wissen sie dann gegenseitig von der Veränderung des jeweils anderen? Im März 2015 will der Forscher David E. Bruschi erkannt haben, dass Quantenverschränkung Energie bindet und damit den Raum krümmt.

Wirklich geklärt ist diese spannende Frage aber bislang nicht, und es erinnert schon stark an den Mythos der „telepathischen“ Verbindung, den es in Märchen, Mythen und Sagen der Menschheit schon immer gab.

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Eine spannende Frage, die vielleicht irgendwann in ferner Zukunft auch wissenschaftlich geklärt wird, ist, ob Phänomene wie Telepathie, also die Ãœbertragung von Gefühlen, Eindrücken und Gedanken zwischen nahestenden Personen, dadurch erklärt werden kann. Jede Mutter kennt das Phänomen, das man anscheinend „augenblicklich weiss“, wann das eigene Kind in Gefahr ist – selbst wenn man räumlich weit voneinander getrennt ist. Auch Menschen, die in sehr enger Beziehung zueinander stehen, kennen dieses Phänomen der „Gefühlsübertragung“.

Findet auch beim Menschen eine Art Verschränkung statt?

Was ist Quantenteleportation?

Die Teleportation von Quanten ist bereits möglich und wurde auch schon zigfach experimentell durchgeführt.

Wie wir eben gesehen haben, ist es also möglich, mit Hilfe von Quanten Information über beliebige Entfernungen und ohne Zeitverlust zu übetragen. Und damit betreten wir auch die spannende Welt der Teleportation.

Wenn der Chefingeneur Scotty seinen Captain Kirk auf die Enterprise beamt, nimmt der Zuschauer an, das Kirks Körper in seine Einzelteile zerlegt, diese auf irgendeine Weise auf die Enterprise geschickt und dort wieder zusammengefügt werden.

Bei der Quantenteleportation aber wird streng genommen nichts teleportiert (also transportiert), stattdessen werden Informationen – etwa der Spin oder die Polarisation eines Photons – praktisch verzögerungsfrei von einem Ort zum anderen geschickt. Das gelingt eben mit Hilfe des bereits erwähnten Effekts der Quantenverschränkung. Dabei werden zwei Photonen so miteinander verschmolzen, dass sie einen gemeinsamen Quantenzustand bilden. Der gemeinsame Zustand bleibt bestehen – egal, wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind und ohne dass ein messbares Signal zwischen ihnen ausgetauscht wird.

Die Teleportation von Quanten ist bereits möglich und wurde auch schon zigfach experimentell durchgeführt. Ihre naheliegendste technische Verwendung ist momentan die Realisierung abhörsicherer, verschlüsselter Kommunikationsmethoden. Für das Teleportieren von Gegenständen oder gar Lebewesen ist die Technik aber nicht geeignet. Zwar ist es Forschern bereits gelungen, nicht nur die Eigenschaften von Lichtteilchen, sondern auch die von Atomen zu versenden. Doch das Beamen eines Menschen, so wie es in „Raumschiff Enterprise“ vorkommt, dürfte bis auf Weiteres im Reich der Science-Fiction bleiben. Denn bekanntlich besteht ein Mensch aus einer ganzen Menge von Atomen, die obendrein am Zielort wieder in der ursprünglichen Anordnung ankommen sollten.

Dazu müsste aber so viel Information verarbeitet und zwischengespeichert werden, das selbst die leistungsfähigsten Computer der Welt damit momentan hoffnungslos überfordert wären. Aber glücklicherweise arbeiten Forscher derzeit ja bereits an der Realisierung von Quantencomputern. Diese werden eine bisher unbekannte und vom jetzigen Zeitpunkt aus schier unfassbare Leistungsfähigkeit besitzen, da sie viele einzelne Aufgaben absolut parallel, also gleichzeitig – und nicht, wie bisher üblich, hintereinander – abarbeiten können.

Aber bis es soweit ist, wird es noch ein ganzes Weilchen dauern.

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