10) Anton Zeilinger - Verschränkung

Inhalt

• Spukhafte Fernwirkung?
• Nachweis der Verschränkung durch eine Wiener Arbeitsgruppe unter Pro. Anton Zeilinger im Jahre 1965
• Was ist "Verschränkung"?
• Wie "verschränkt" man zB Photonen?
• Was sind aktuelle Anwendungen der "Verschränkung"?
• Wie weist man "Verschränkung" nach?
• Nobelpreis für Anton Zeilinger
• Vita Anton Zeilinger

Im Jahr 2022 erhielt der österreichische Quantenphysiker Anton Zeilinger den Nobelpreis für Physik für seine bahnbrechenden Experimente zur Teilchenverschränkung. Zusammen mit Alain Aspect und John F. Clauser wurde er für den Nachweis der Verletzung der Bellschen Ungleichung - siehe Beitrag "Bell" - und deren Pionierarbeit in der Quanteninformation (u.a. Quantenteleportation) geehrt.

Damit ist das Projekt "ein Jahrhundert Quantenphysik" bei den letzten beiden Beiträge - Bell und Zeilinger - angelangt. Nun ist es aber nicht so, dass Zeilinger die "Verschränkung" er- oder gefunden hätte. Den Begriff hat vermutlich Erwin Schrödinger bereits im Jahr 1935 'erfunden'. Anders als Einstein  - welcher diese als spukhafte Fernwirkung abtat - glaubte Schrödinger nicht, dass Verschränkung darauf hinweise, dass die Quantenmechanik unvollständig sei.

Zeilinger und seinem Team an der Uni Innsbruck/Wien gelang es etwa sechzig Jahre später - genauer 1997, die "Verschränkung" experimentell nachzuweisen.
Übrigens:

Der erste experimentelle Nachweis der Quantenverschränkung (durch die Verletzung der Bellschen Ungleichung) gelang im Jahr 1972 an der University of California, Berkeley. 

SpinQ +2

• 1972 (Berkeley, USA): Der Physiker John Clauser führte zusammen mit dem Doktoranden Stuart Freedman das erste direkte Experiment durch. Sie nutzten verschränkte Photonen aus Calcium-Atomen und bewiesen, dass die Quantenmechanik recht hat und Einsteins Annahme von „verborgenen Variablen“ falsch war.
• 1981–1982 (Orsay, Frankreich): Alain Aspect verbesserte das Experiment entscheidend. Er konnte die Messgeräte so schnell umschalten, dass kein Signal (selbst mit Lichtgeschwindigkeit) zwischen den Teilchen ausgetauscht werden konnte. Dies schloss wichtige Hintertüren („Loopholes“) aus.
• 1997 (Innsbruck/Wien, Österreich): Anton Zeilinger gelang mit seinem Team unter anderem die erste Quantenteleportation, was die Verschränkung als praktische Ressource für die Informationsübertragung demonstrierte. 
  Wikipedia +6

Für diese Pionierarbeit erhielten Clauser, Aspect und Zeilinger gemeinsam den Nobelpreis für Physik 2022. 

Deutschlandfunk +1

Was ersteht man aber unter "Verschränkung"?

• Abhängigkeit: Misst man bei einem verschränkten Teilchen eine bestimmte Eigenschaft (z. B. den Spin), steht das Ergebnis für das Partner-Teilchen im selben Moment fest – selbst wenn dieses Lichtjahre entfernt ist.
• Zufall: Vor der Messung ist der Zustand beider Teilchen völlig unbestimmt. Erst die Messung an einem Teilchen "zwingt" das Gesamtsystem zu einer Entscheidung.
• Keine klassische Entsprechung: Einstein nannte das berühmterweise „spukhafte Fernwirkung“, weil es unserer Alltagserfahrung widerspricht, dass Information scheinbar ohne Zeitverzögerung übertragen wird. 

Wie verschränkt man Teilchen konkret?

In der Praxis nutzt man heute meist eine Methode, die fast wie „Magie“ in einem Kristall aussieht. Das gängigste Verfahren nennt sich Parametrische Fluoreszenz (oder Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC). 

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften +2

1. Der Laser: Man schießt einen Laserstrahl (meist blaues oder ultraviolettes Licht) auf einen speziellen, sogenannten nichtlinearen Kristall (z. B. aus Beta-Bariumborat).
2. Die Aufspaltung: In sehr seltenen Fällen passiert im Kristall etwas Besonderes: Ein einzelnes energiereiches Photon des Lasers „zerfällt“ in zwei Photonen mit jeweils halber Energie (also einer anderen Farbe, z. B. Infrarot).
3. Die Verschränkung: Da diese beiden neuen Photonen exakt zum selben Zeitpunkt aus demselben Ursprungs-Photon entstanden sind, unterliegen sie strengen Erhaltungssätzen der Physik. Ihre Eigenschaften (wie die Schwingungsrichtung/Polarisation) sind dadurch untrennbar miteinander verknüpft – sie sind verschränkt.
4. Die Trennung: Die beiden Photonen fliegen nun in unterschiedliche Richtungen davon, bleiben aber „quantenmechanisch“ ein einziges System. 
   YouTube +7

In einem Interview anl. der Verleihung des Nobelpreises erklärt der Meister höchstpersönlich den Begriff, warnte aber davor, sich die Verschränkung ganz konkret - Zeilinger verwendete für seine Erklärung zwei makroskopische Würfel - vorzustellen. Sollten die beiden Würfel verschränkt sein, würden nach dem Wurf des ersten Würfels würde beim Wurf des der deren Würfel instantan die Augen des ersten Würfels angezeigt werden, unabhängig von der Entfernung der beiden Würfel: Link

Interessant ist natürlich, wie man zwei solche Würfel verschränkt. Vermutlich sorgt die Bellsche Ungleichung dafür, dass dies nicht möglich ist. In der Literatur kann man lesen, dass zB beim Doppelspaltversuch mit Elektronen eine Messvorrichtung an einem Spalt zur Registrierung des Weges eines Elektrons die Quantenphysik dafür sorgt, dass das beobachtete Elektron mit der Messvorrichtung verschränkt wird. Was wiederum die für das Auftreten von Interferenzen notwendige Kohärenz zerstört und damit die Interferenz verhindert. Bisweilen wird dies auch als 'Kollaps' der Elektronenwellen beschrieben.

Wasserwellen, welche auf einen Doppelspalt zu laufen, erzeugen mittels Huygenscher Elementarwellen kohärente Wellen und schließlich Interferenz-Muster:

hell dunkel hell .....

Schließlich aber ist der Doppelspaltversuch mit Elektronen das Experiment schlichthin, welches die Doppelnatur von Elektronen - Teilchen oder Welle, ja nach Experiment - beweist.

Link zu "Verschränkung beim Schrödinger-Beitrag

'Lesenwert' ist auch Zeilingers Festvortrag vom 15. 5. 2023  anl. der Verleihung des Physiknobelpreises 2022, gehalten an der österreichischen Akademie der Wissenschaften -  Dauer 1:45.

Vita

Anton Zeilinger ist ein renommierter österreichischer Quantenphysiker und Nobelpreisträger, der am 20. Mai 1945 in Ried im Innkreis geboren wurde. Er ist bekannt für seine bahnbrechenden Experimente zur Quantenverschränkung und Teleportation. 

derStandard.de | Nachrichten, Kommentare & Community +4

• Studium: Von 1963 bis 1971 studierte er Physik und Mathematik an der Universität Wien, wo er 1971 mit einer Arbeit über Neutronen promovierte.
• Habilitation: 1979 habilitierte er sich an der Technischen Universität Wien nach einem Forschungsaufenthalt am MIT (Massachusetts Institute of Technology).
• Professuren:
  • TU Wien: Außerordentlicher Professor von 1983 bis 1990.
  • Universität Innsbruck: Professor für Experimentalphysik von 1990 bis 1999.
  • Universität Wien: Rückkehr als Professor im Jahr 1999. 
    www.orden-pourlemerite.de +5

• Forschungsschwerpunkte: Zeilinger gilt als Pionier der Quantenkommunikation und Quanteninformation. Er führte das weltweit erste Experiment zur Quantenteleportation durch.
• IQOQI: 2003 war er Mitbegründer des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), dessen Direktor er von 2004 bis 2013 war.
• Präsidentschaft: Von 2013 bis 2022 amtierte er als Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. 
  YouTube +6

• Nobelpreis für Physik (2022): Erhielt die Auszeichnung gemeinsam mit Alain Aspect und John Clauser für Experimente mit verschränkten Photonen und wegweisende Quanteninformationswissenschaft.
• Wolf-Preis für Physik (2010): Anerkennung für seine Beiträge zu den Grundlagen der Quantenphysik.
• Orden Pour le Mérite: Mitglied des prestigeträchtigen deutschen Ordens für Wissenschaften und Künste. 
  YouTube +4