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Quanten-Fernbeziehung

Logo: Quantentheorie

Stecken zwei Quanten in einer Quanten-Fernbeziehung, so sind ihre Eigenschaften nicht mehr unabhängig voneinander bestimmt: Denn nimmt man eine Messung bei einem der beiden Quanten vor, so ist sofort auch das Ergebnis für den Partner festgelegt.

Einstein nannte das Phänomen "spukhafte Fernwirkung" und sah in ihm den Beweis, dass mit der Quantentheorie etwas nicht stimmen konnte. Doch heute haben sich Wissenschaftler längst damit abgefunden, dass zwei Quanten auch über Lichtjahre hinweg in einer so intensiven Beziehung zueinander stehen können, dass man ihnen nur gemeinsame Eigenschaften zuschreiben kann und keinem einzeln.

Eine solche gemeinsame Eigenschaft wäre bei einem Paar Quanten-Münzen beispielsweise, dass beide bei einem Wurf niemals auf derselben Seite liegen bleiben. Wenn Sie die eine Münze werfen und sie "Zahl" zeigt, liegt das Wurfergebnis für die zweite Münze auch schon fest. Es wird "Wappen" sein - selbst wenn sich die Münze am anderen Ende des Universums befindet. Natürlich könnten sie sich auch zwei Quanten-Münzen vorstellen, die immer auf derselben Seite liegen bleiben.

Stecken Quanten in einer solchen Fernbeziehung, so werden sie "verschränkt" genannt. Genutzt werden solche Quantenfernbeziehungen mittlerweile eifrig. In Experimenten konnten sie schon weit über 150 Kilometer nachgewiesen werden. Sie spielen bei der Entwicklung von Quanten-Computern ebenso eine Rolle wie bei der technischen Umsetzung von Methoden zur Quanten-Verschlüsselung. Und auch wenn Forscher Quanten durch die Gegend beamen, sind Quanten in Fernbeziehungen immer mit von der Partie.

Mathematik der Quantenbeziehungen

Ein Photon

Wenn wir die Polarisation eines Photons mit Hilfe eines Polarisators messen wollen, gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder geht das Photon durch den Polarisator hindurch oder es wird reflektiert. Diese beiden Ergebnisse wollen wir mit "1" oder "0" beschreiben.

Wenn die Messung immer das Ergebnis "0" liefert, so sei das Quant zuvor im Zustand

Falls das Ergebnis immer "1" lautet, soll der Zustand wie folgt bezeichnet werden:

Nach der Quantentheorie kann sich das Photon auch in einer Überlagerung aus diesen beiden Zuständen befinden. Im allgemeinen Fall wird dann mit einer Wahrscheinlichkeit von |c0|2 der Wert "0" gemessen und mit einer Wahrscheinlichkeit von |c1|2 lautet das Ergebnis "1". Für den Zustand des Quants schreibt man dann:

Zwei Photonen

Sind nun zwei Quanten ins Spiel, verkompliziert sich die Sache nur gering. Der Quantentheorie zufolge muss man die Zustände der beiden Quanten nur auf eine ganz bestimmte Weise hintereinander schreiben. Dies ist eine Form der Multiplikation.

beschreibt einen Zustand, bei dem eine Messung bei beiden Photonen immer den Wert "0" ergeben würde.

lautet der allgemeinste aller Quantenzustände bei zwei Photonen. Er bedeutet, dass bei einer Messung mit einer Wahrscheinlichkeit von |c00|2 bei beiden Quanten der Wert "0" gemessen wird, mit einer Wahrscheinlichkeit von |c01|2 bei ersten Quanten "0" und beim zweiten "1", mit einer Wahrscheinlichkeit von |c10|2 beim ersten Quant "1" und beim zweiten "0" und mit einer Wahrscheinlichkeit von |c11|2 bei beiden Quanten "1".

An dieser Interpretation wird sichtbar, dass es bei der Quanten-Multiplikation auf die Reihenfolge der einzelnen Zustände ankommt. Es gilt:

Welche Werte im Allgemeinen c00, c01, c10 und c11 annehmen, ist vom Quantensystem abhängig. c00 und c11 könnten beispielsweise auch Null sein. Dann erhalten wir:

Was bedeutet das? Wenn wir die Polarisation des ersten Photons messen, werden wir mit einer Wahrscheinlichkeit von |c01|2 "0" erhalten und mit einer Wahrscheinlichkeit von |c10|2 "1". Bei dieser ersten Messung regiert der Zufall. Doch sobald wir das Ergebnis für das erste Quant kennen, wissen wir auch über das zweite Quant Bescheid. Denn der Quantenzustand legt fest, dass beide Quanten über entgegen gesetzte Einstellungen verfügen.

Auch wenn die beiden Quanten Lichtjahre voneinander entfernt sind: Wenn wir in einer Messung die Eigenschaften des einen Teilchens festlegen, so gilt das auch für das andere Teilchen.


Siehe auch
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Lexikoneintrag Quantentheorie
Lexikoneintrag Quantenzustand
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