Hier ist etwas Verrücktes an der Physik: Es gibt Regeln, die die winzigen Teilchen innerhalb von Atomen beherrschen, und diese Regeln sind seltsam. So seltsam, dass Einstein es als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete. Wir sprechen von Quantenverschränkung – dem Phänomen, bei dem zwei Teilchen so tiefgreifend verbunden sind, dass was mit dem einen geschieht, sofort das andere beeinflusst, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.
Ich erinnere mich, wie ich das erste Mal im Studium davon erfuhr und mein Gehirn im Grunde einen Kurzschluss hatte. Wie können zwei Teilchen an entgegengesetzten Enden des Universums verbunden sein? Ist das nicht supposed unmöglich?
Nun, Einstein dachte das auch. Er war kein Fan davon. Er glaubte, dass Teilchen jeweils ihre eigene unabhängige Realität haben sollten, und Verschränkung schien diese gesunden Menschenverstand zu verletzen. Aber hier ist die Sache – Jahrzehnte von Experimenten haben bewiesen, dass Einstein falsch lag. Verschränkung ist real, sie ist seltsam, und sie könnte genau die Grundlage der nächsten Revolution in der Technologie sein.
Warum das mehr bedeutet, als man vielleicht denkt
Verschränkung ist nicht nur eine physikalische Kuriosität. Sie ist das Rückgrat aufstrebender Technologien, die alles von sicherer Kommunikation bis hin zu Rechenleistung, die heutige Supercomputer wie Taschenrechner aussehen lässt, umgestalten könnten.
Das Problem ist, dass die tatsächliche Nutzung von Verschränkung in realen Geräten unglaublich schwierig war. Es ist eine Sache, im Labor nachzuweisen, dass Teilchen verschränkt sind – eine andere Sache, zuverlässig spezifische verschränkte Zustände für praktische Anwendungen zu erzeugen, zu manipulieren und zu identifizieren.
In den letzten 25 Jahren hatten Wissenschaftler eine solide Methode zur Identifizierung einer Art verschränkter Zustände (der sogenannte GHZ-Zustand), aber ein anderer entscheidender Typ – der W-Zustand – blieb hartnäckig schwer zu fassen. Stellen Sie es sich so vor, als hätte man ein zuverlässiges Werkzeug für eine Art von Schloss, aber nichts für ein anderes, ebenso wichtiges.
Bis jetzt.
Der „Aha!“-Moment: Nutzung von Symmetrie
Hier wird die neue Forschung wirklich spannend. Wissenschaftler der Kyoto-Universität und der Hiroshima-Universität haben eine clevere Methode gefunden, W-Zustände zu identifizieren, indem sie etwas nutzen, das als zyklische Verschiebungssymmetrie bezeichnet wird.
Lassen Sie mich das in nicht-mathematischen Begriffen erklären.
Stellen Sie sich vor, Sie haben drei Photonen (Lichtteilchen), die in einem W-Zustand verschränkt sind. Nun stellen Sie sich vor, Sie könnten ihre Anordnung in einem sich wiederholenden Zyklus verschieben – wie das Drehen von Sitzen an einem runden Tisch – und das zugrunde liegende Muster bleibt erkennbar. Das ist die Symmetrie, die die Forscher als ihren Anker nutzten.
Mit dieser Eigenschaft entwarfen sie einen Quantenschaltkreis, der im Grunde einen verschränkten Zustand „betrachten“ und in einer einzigen Messung herausfinden kann, was er ist, anstatt den traditionellen Ansatz zu erfordern, bei dem große Datenmengen gesammelt und der Zustand computergestützt rekonstruiert wird.
Der Unterschied ist wie der Unterschied zwischen dem Lösen eines Puzzles durch Versuch und Irrtum und dem Erhalt der Antwort samt Erklärung, wie man sie kannte. Der One-Shot-Ansatz ist dramatisch effizienter.
Was das für die Zukunft bedeutet
Hier wird mein innerer Technik-Nerd wirklich begeistert.
Dieser Durchbruch fördert direkt die Quantenteleportation – die, trotz des Namens, nicht das Beamen von Materie irgendwohin beinhaltet (Entschuldigung, Star-Trek-Fans). Stattdessen geht es darum, Quanteninformation von einem Ort zum anderen unter Nutzung von Verschränkung zu übertragen. Es ist im Grunde die Version des Quanteninternets zum Senden einer Nachricht.
Die neue Messtechnik könnte auch die Entwicklung folgender Bereiche beschleunigen:
- Quantenkommunikationsnetzwerke, die theoretisch unhackbar sind
- Messbasierte Quantencomputeransätze, die möglicherweise einfacher umzusetzen sind
- Multiphotonensysteme für leistungsfähigere Quantenprozessoren
Das Forschungsteam plant bereits, dies über ihre Drei-Photonen-Demonstration hinaus zu skalieren. Wenn sie dies auf größere Systeme ausweiten können – und die Mathematik legt nahe, dass sie es können –, sehen wir ein