Wieder einmal wird bewiesen, dass Einstein Unrecht hat! Wissenschaftler verifizieren erstmals den berühmten Bell-Test in supraleitenden Schaltkreisen

Im Jahr 2022 erhielten drei Physiker den Nobelpreis für Physik für ihre bahnbrechenden Experimente, mit denen sie die Verletzung der Bellschen Ungleichung bestätigten. Trotz der höchsten Auszeichnung der wissenschaftlichen Gemeinschaft war die Entwicklung der Bellschen Ungleichung damit nicht abgeschlossen. Vor nicht allzu langer Zeit (Mai 2023) wurde in einer neuen Studie in der Fachzeitschrift Nature erstmals die Verletzung der Bellschen Ungleichung in zwei supraleitenden Schaltkreisen bestätigt und bewiesen, dass zwischen den Quantenbits in den supraleitenden Schaltkreisen tatsächlich eine Verschränkung stattfand.

Was also ist Quantenverschränkung? Was ist die Bellsche Ungleichung? Welche Bedeutung hat das neue Experiment? Hallo zusammen, ich bin Xue Peng und heute werden wir über diese Themen sprechen.

Unsere Geschichte beginnt mit einer berühmten Debatte in der Physikergemeinschaft in den 1930er Jahren. Zu dieser Zeit war Einstein skeptisch gegenüber der Quantenmechanik und der von Bohr vertretenen Interpretation der Quantenmechanik durch die Kopenhagener Schule.

Um zu beweisen, dass die Quantenmechanik unvollständig ist, schlug Einstein ein Gedankenexperiment nach dem anderen vor. Eines der berühmtesten Gedankenexperimente wurde von ihm und seinen Assistenten Rosen und Podolsky in Princeton vorgeschlagen: das berühmte EPR-Paradoxon. Dieses Experiment beschreibt zwei Teilchen mit Spin 1/2, A und B, die anfangs einen Gesamtspin von Null haben.

Angenommen, ein Teilchen hat zwei mögliche Spins, |up> und |down>. Wenn dann der Spin von Teilchen A |up> ist, muss der Spin von Teilchen B |down> sein, um die Gesamterhaltung aufrechtzuerhalten, und umgekehrt. An diesem Punkt sagen wir, dass diese beiden korrelierten Teilchen einen quantenverschränkten Zustand bilden.

Was würde nun passieren, wenn wir die beiden verschränkten Teilchen trennen und sie in entgegengesetzte Richtungen und immer weiter voneinander entfernt fliegen lassen würden?

Um dieser Frage nachzugehen, lassen wir die Beobachter Alice und Bob Messungen an zwei weit voneinander entfernten Teilchen durchführen. Gemäß der Quantenmechanik sollte sich jedes Teilchen, solange Alice und Bob keine Messungen durchgeführt haben, in einem Superpositionszustand befinden, beispielsweise einem Superpositionszustand mit einer 50%igen Wahrscheinlichkeit von |up> und |down>. Aber sobald Alice A misst, bricht der Superpositionszustand von A augenblicklich zusammen, beispielsweise bricht er in |上> zusammen.

Die Frage ist: Da Alice gemessen hat, dass A |oben> liegt, muss B aus Gründen der Erhaltung |unten> liegen. Allerdings sind A und B an diesem Punkt sehr weit voneinander entfernt, beispielsweise Zehntausende Lichtjahre. Gemäß der Theorie der Quantenmechanik sollte B eine 50%ige Wahrscheinlichkeit für |up> und eine 50%ige Wahrscheinlichkeit für |down> haben. Warum kann es immer |down> wählen? Es sei denn, es gäbe eine Möglichkeit, dass Teilchen A und Teilchen B rechtzeitig „miteinander kommunizieren“ könnten? Selbst wenn man davon ausgeht, dass sie einander spüren können, scheint es sich um ein sofortiges Signal aus der Ferne zu handeln! Diese Fernwirkung widerspricht der speziellen Relativitätstheorie, wonach die Lichtgeschwindigkeit nicht überschritten werden kann. Dies stellt also ein Paradoxon dar.

Aus diesem Grund war Einstein davon überzeugt, dass die Quantenmechanik unvollständig sei und hoffte, eine universellere Theorie des lokalen Realismus zu etablieren, um die Mängel der Quantentheorie auszugleichen und Fernwirkungen auszuschließen. Als Nachfolger von Einsteins Ideen führte Bohm 1952 „verborgene Variablen“ ein und entwickelte eine vollständig deterministische Theorie auf der Grundlage des lokalen Realismus – die Theorie der lokalen verborgenen Variablen.

Um festzustellen, ob die Quantenmechanik richtig und vollständig ist oder ob die Theorie der lokalen verborgenen Variablen richtig und vollständig ist, müssen wir dies durch Experimente überprüfen. Zu diesem Zeitpunkt erschien John Bell auf der Bildfläche! Im Jahr 1964 schlug Bell die nach ihm benannte mathematische Ungleichung vor. Er definierte eine Observable und sagte auf Grundlage der Theorie der lokalen verborgenen Variablen voraus, dass der gemessene Wert nie größer als 2 sein würde. Mithilfe der Theorie der Quantenmechanik können wir schlussfolgern, dass sein Maximalwert 2\sqrt{2} erreichen kann. Sobald das experimentelle Messergebnis größer als 2 ist, bedeutet dies, dass die Theorie der lokalen verborgenen Variablen falsch ist.

Die Entstehung der Bellschen Ungleichung kündigte die lokale Kontroverse um die Theorie der Quantenmechanik an, die sich von einer reinen Spekulation mit philosophischer Färbung zu einer wissenschaftlichen Theorie wandelte, die durch Experimente widerlegt werden kann. Bell war ein Anhänger Einsteins. Seine ursprüngliche Absicht bei der Untersuchung der Theorie der verborgenen Variablen bestand darin, zu beweisen, dass die Nichtlokalität der Quantenmechanik falsch war. Alle Experimente bewiesen jedoch später, dass die Vorhersagen der Theorie der lokalen verborgenen Variablen falsch und die Vorhersagen der Quantenmechanik richtig waren.

Im Jahr 1972 führten John Clauser und Stuart Freedman an der University of California in Berkeley das erste Experiment mit dem Bellschen Theorem durch und bewiesen damit, dass die Bellsche Ungleichung tatsächlich verletzt war. Ihre Ergebnisse sind jedoch nicht schlüssig, da das Experiment unter einer sogenannten Lokalitätslücke leidet. Die Lokalitätslücke bezieht sich auf die Tatsache, dass die entsprechende Zeit der Korrelation zwischen verschränkten Teilchen die Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Wenn beispielsweise das Ergebnis der Erkennung eines Partikels vorliegt, liegt sofort auch das Ergebnis des anderen Partikels vor. Wenn der Abstand zwischen den beiden Teilchen jedoch nicht groß genug ist, reicht dies nicht aus, um zu beweisen, dass die Ausbreitungszeit mit Lichtgeschwindigkeit viel länger ist als die Zeit, die benötigt wird, um im Experiment das Ergebnis eines weiteren Photons zu erhalten.

Im Jahr 1982 verbesserten Alan Aspect und andere an der Universität Paris 11 das Experiment von Clauser und Freedman, wodurch die Messgenauigkeit erhöht und Messlücken reduziert wurden. Alain Aspect war auch der erste, der ein Experiment zur Vermeidung lokaler Schwachstellen entwarf.

Im Jahr 1998 testeten Anton Zeilinger und andere an der Universität Innsbruck in Österreich die Bellsche Ungleichung unter strengen Lokalitätsbedingungen und beseitigten so die Lokalitätslücke. Von entscheidender Bedeutung waren die experimentellen Ergebnisse.

Aspect, Clauser und Zeilinger erhielten hierfür im vergangenen Jahr (2022) auch den Nobelpreis für Physik. Sie wurden dafür gewürdigt, dass sie mithilfe verschränkter Photonen experimentell nachgewiesen haben, dass die Bellsche Ungleichung in der mikroskopischen Welt nicht gilt. Damit bewiesen sie die Vollständigkeit der Quantenmechanik und führten und förderten die Entwicklung der Disziplin der Quanteninformation.

Danach verifizierten die Physiker die Bellsche Ungleichung weiter anhand verschiedener verschränkter Teilchenpaare, mit dem Ziel, weitere Lücken zu schließen. Beispielsweise gibt es neben lokalisierten Schwachstellen auch Erkennungsschwachstellen. Die Detektorlücke besteht darin, dass die Detektoreffizienz nicht 100 % beträgt. Daher kann man davon ausgehen, dass die erkannten Partikel die Bell-Ungleichung verletzen, während die nicht erkannten Partikel sie nicht verletzen.

Erst im Jahr 2015 gelang der Forschungsgruppe von Ronald Hanson an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden der erste fehlerfreie Bell-Test, den sie in einem Diamant-Farbzentrumssystem durchführte. Um örtliche Lücken zu vermeiden, platzierten sie die beiden Diamantfarbzentren in zwei Laboren, die 1,3 Kilometer voneinander entfernt sind. Mithilfe verschränkter Photonenpaare und der Verschränkungsaustauschtechnologie erreichten sie eine Verschränkung zwischen Elektronen in Diamantfarbzentren. Die für die direkte optische Kommunikation zwischen zwei Farbzentren erforderliche Zeit beträgt etwa 4,27 Mikrosekunden, während die Zeit zum Abschließen eines Experiments 4,18 Mikrosekunden beträgt, was 90 Nanosekunden weniger ist als die optische Kommunikationszeit, wodurch die Lokalitätslücke geschlossen wird. Darüber hinaus liegt die Messeffizienz der Farbzentren bei bis zu 96 % und die Messlücken werden ebenfalls geschlossen.

Diese Experimente basieren alle auf verschränkten Photonen. Der neuste Fortschritt der eingangs erwähnten Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) besteht darin, dass erstmals die Verletzung der Bellschen Ungleichung in zwei supraleitenden Schaltkreisen nachgewiesen werden konnte.

Um den Bell-Test wirklich fehlerfrei durchzuführen, muss das Forschungsteam sicherstellen, dass zwischen den beiden verschränkten Schaltkreisen keine Informationen ausgetauscht werden können, bevor die Quantenmessung abgeschlossen ist. Da die Lichtgeschwindigkeit die höchste Geschwindigkeit ist, mit der Informationen übertragen werden können, muss die für die Messung erforderliche Zeit kürzer sein als die Zeit, die ein Lichtteilchen benötigt, um von einem Schaltkreis zum anderen zu gelangen. ETH-Forscher hatten zuvor ermittelt, dass die kürzeste Distanz für einen erfolgreichen Bell-Test ohne Schlupflöcher etwa 33 Meter beträgt, da ein Lichtteilchen im Vakuum für diese Distanz etwa 110 Nanosekunden benötigt – also einige Nanosekunden mehr als die Zeit, die die Forscher für ihr Experiment benötigten.

In der jüngsten Studie verbanden ETH-Wissenschaftler zwei Kryostate, die jeweils einen supraleitenden Schaltkreis enthielten, durch eine 30 Meter lange Röhre, deren Inneres auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde, und verwendeten dann einen Zufallszahlengenerator, um zu entscheiden, welche Messung am Quantenbit vorgenommen werden sollte, um menschliche Voreingenommenheit zu vermeiden. Die Forscher führten mehr als vier Millionen Messungen mit einer Rate von 12.500 Messungen pro Sekunde durch, fügten alle diese Datenpunkte zusammen und analysierten sie. Sie kamen mit hoher Sicherheit zu dem Schluss, dass die Quantenbits tatsächlich das erlebten, was Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete.

Forscher sagten, dass supraleitende Schaltkreise ein vielversprechender Kandidat für den Bau leistungsstarker Quantencomputer seien. Die neuesten Forschungsergebnisse dürften die Entwicklung des Quantencomputings und der Quantenkommunikation vorantreiben und den Maßstab von Quantencomputern auf Basis supraleitender Schaltkreise erweitern.

Wenn es Ihnen immer noch schwerfällt, die geisterhafte Fernwirkung der Quantenverschränkung zu verstehen, ist es möglich, dass Sie dieses Thema immer noch aus der Perspektive der Kausalität betrachten. Kehren wir zur gerade erwähnten Geschichte von Teilchen A und Teilchen B zurück.

Wenn Alice A misst, kollabiert der Superpositionszustand von A sofort, beispielsweise in |上>. Da Alice gemessen hat, dass A |oben> ist, muss B aufgrund der Erhaltung |unten> sein. Das klingt, als sei das Messergebnis von Teilchen A die Ursache und der Zustandskollaps von Teilchen B die Wirkung. Der Prozess, bei dem „Ursache“ „Wirkung“ verursacht, erfordert keine Zeit, es handelt sich um eine „augenblickliche“ Induktion. Dies ist die sogenannte „geisterhafte Verbindung“, die nicht einmal Einstein verstehen konnte!

Wenn wir jedoch zufällig 100 Teilchenpaare auswählen und jedes Paar so markieren, dass eines A und das andere B ist, stellen wir fest, dass die Hälfte (Wahrscheinlichkeit) der 100 mit A gekennzeichneten Teilchen |up> und die andere Hälfte (Wahrscheinlichkeit) |down> sind. Ebenso ist die Hälfte (Wahrscheinlichkeit) der 100 mit B gekennzeichneten Partikel |up> und die andere Hälfte (Wahrscheinlichkeit) |down>. Wenn wir sie einzeln betrachten, sind A und B im selben Paar immer eins |oben> und eins |unten>, da der Gesamtspin Null ist.

Fazit: Quantenverschränkung kann nicht mit der Kausalitätstheorie verstanden werden. Die beiden Zufallsreihen A und B stehen in einem Zusammenhang (ohne Kausalität).

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Xue Peng

Rezensent: Zhang Wenzhuo, Gründer und CEO von Quami Quantum, ehemaliges Mitglied des Mozi-Satellitenteams

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.