Ist Doraemons Portal gleich um die Ecke? Apple hilft Ihnen, die Quantenverschränkung zu verstehen, die 2022 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde

Am 4. Oktober 2022 um 17:45 Uhr Pekinger Zeit wurde in Stockholm der Nobelpreis für Physik 2022 offiziell bekannt gegeben. Die Ehre teilten sich der französische Wissenschaftler Alain Aspect, der amerikanische Wissenschaftler John F. Clauser und der österreichische Wissenschaftler Anton Zeilinger. Die offizielle Begründung für die Verleihung des Nobelpreises lautete, dass sie „Experimente mit verschränkten Photonen durchgeführt, die Ungültigkeit der Bellschen Ungleichung nachgewiesen und Pionierarbeit in der Quanteninformationswissenschaft geleistet“ hätten.

(Bildquelle: Offizielle Website des Nobelpreises)

Die drei Wissenschaftler, die dieses Jahr den Nobelpreis erhielten, haben die Machbarkeit der Quantenverschränkung theoretisch bewiesen und sind die Begründer des Gebiets der Quantenkommunikation. Ihre Errungenschaften ermöglichen die Umsetzung der Quantenkommunikation und den Bau von Quantencomputern. Dabei handelt es sich um bedeutende Errungenschaften, die das bestehende technologische System der Menschheit in Zukunft möglicherweise völlig umstürzen könnten. Die drei Wissenschaftler gewannen 2010 den „Wolf-Preis“, auch bekannt als „Kleiner Nobelpreis“, und sind seit mehr als einem Jahrzehnt beliebte Kandidaten für den Nobelpreis für Physik.

Im Gegensatz zu vielen anderen greifbaren Errungenschaften, die auf Quantentechnologie basieren, wie etwa integrierten Schaltkreisen und blauen LEDs, ist die Quantenwissenschaft selbst höchst abstrakt. Dies ist auch der Grund, warum das Verständnis der Quantenkommunikation in der breiten Öffentlichkeit leicht in einem unsichtbaren und ungreifbaren Zustand der Verwirrung gerät. Dabei hat sich der Autor ein kleines Ziel gesetzt: Dieser Artikel soll keine schwierigen Fachbegriffe enthalten, sondern versuchen, anhand einfacher Beispiele aus dem Leben jedem ein anschauliches Verständnis der Quantenwissenschaft und Quantenkommunikation zu vermitteln.

Kommen Sie und nehmen Sie sich ein paar Minuten Zeit, um etwas über eine der modernsten Wissenschaften und Technologien der Menschheit zu erfahren.

Ein imaginäres Bild der Quantenverschränkung (Bildquelle: Offizielle Website des Nobelpreises)

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Mein Territorium, meine Regeln

Willkommen in der Quantenwelt

Nach über hundert Jahren der Entwicklung hat die einschlägige Forschung zur Quantenwissenschaft selbst ein riesiges System mit üppigen Zweigen und Blättern gebildet, und ihre Richtigkeit wird auch kontinuierlich überprüft. Wir müssen jedoch zugeben, dass viele Gesetze der Quantenwissenschaft völlig anders sind als unsere alltägliche Erfahrung in der makroskopischen Welt. Als ich im Rahmen meines Masterstudiums entsprechende Kurse belegte, kam es mir oft unglaublich vor und ich wollte es gar nicht glauben. Um das Verständnis der folgenden Inhalte für jedermann zu erleichtern, wollen wir zunächst anhand von Metaphern einige Beispiele anführen, die die Wunder der Quantenwelt widerspiegeln können.

Bevor wir Beispiele geben, wollen wir uns an einige „Einstellungen“ erinnern: Wenn die Dimension des Objekts der physikalischen Forschung selbst in den mikroskopischen Bereich eintritt, werden verschiedene Naturgesetze von der Quantentheorie kontrolliert. In der mikroskopischen Quantenwelt ist die erste Eigenschaft der „Bewohner“ die Quantisierung. Mehrere physikalische Größen wie Masse und Energie verändern sich von kontinuierlichen Veränderungen in der makroskopischen Welt zu diskontinuierlichen Veränderungen, was Quanteneigenschaften widerspiegelt.

Um ein ungenaues Beispiel zu nennen: Äpfel sind in der makroskopischen Welt groß und klein und die Größe von Äpfeln kann sich ständig ändern. Wenn wir beispielsweise hundert Äpfel pflücken, kann ihre Größe zwischen 0,1 kg und 1 kg liegen. Allerdings ändert sich die Größe von Äpfeln in der mikroskopischen Welt nicht kontinuierlich, sondern entspricht einem ganzzahligen Vielfachen einer bestimmten Apfelgrundgröße. Es gibt keine mikroskopisch kleinen Äpfel anderer Größen.

In der Welt der Quantenmechanik sind viele physikalische Größen ganzzahlige Vielfache eines bestimmten Grundwertes (Bildquelle: Eigenerstellung des Autors)

In der Quantenwelt führen alle Arten mikroskopischer Teilchen ständig verschiedene Bewegungsformen aus, oder anders ausgedrückt: ihre Zustände ändern sich ständig. Dies steht nicht im Widerspruch zu unserer täglichen Erfahrung. Schließlich ist Bewegung ewig und Stillstand relativ. Aber in der Quantenwelt ist die Bewegung der Teilchen natürlich zufällig. Ohne Messung kann niemand zu einem bestimmten Zeitpunkt wissen, wohin sich die mikroskopischen Partikel bewegt haben.

Nehmen wir Äpfel als Beispiel. In der makroskopischen Welt fallen Äpfel zu Boden, wenn sie reif sind. Angenommen, wir beginnen mit der Berechnung ab dem Moment, in dem der Apfel den Apfelbaum verlässt, können wir basierend auf den Newtonschen Gesetzen die Position und Geschwindigkeit des Apfels jederzeit berechnen, bevor er auf den Boden fällt. Wenn wir uns jedoch in die mikroskopische Welt begeben, können wir nicht wissen, wo der Apfel in der nächsten Sekunde erscheinen wird. Wir können lediglich eine Wahrscheinlichkeit angeben und aufzeigen, wo diese ungefähr liegt.

Eine weitere magische Eigenschaft der Quantenwelt besteht darin, dass unsere Beobachtungen den Zustand mikroskopischer Teilchen beeinflussen. Äpfel in der makroskopischen Welt haben, unabhängig davon, ob wir sie anstarren oder nicht, für einen kurzen Zeitraum immer eine feste Farbe, entweder einen grünen Apfel oder einen roten Apfel. Die Farbe des Apfels ändert sich nicht, egal ob Sie die Augen schließen oder nicht. Und was ist mit dem Apfel in der mikroskopischen Welt? Bevor wir ihn beobachten, ist der Zustand des mikroskopischen Apfels zufällig; es könnte rot oder grün sein. Sobald wir unsere Augen öffnen und beobachten, wird der Zustand des mikroskopischen Apfels fixiert und erscheint grün oder rot.

Porträt der Begründer der Quantenmechanik (Fünfte Solvay-Konferenz, 1927)

(Bildquelle: Gemeinfrei)

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Quantenverschränkung: „Telepathie“ zwischen Teilchen

Nachdem wir über einige grundlegende Prinzipien der Quantenwelt gesprochen haben, werfen wir einen Blick auf die Konzepte der Quantenverschränkung und der Quantenkommunikation.

Quantenverschränkung ist ein sehr mysteriöses Phänomen in der Quantenwelt. Sobald sich ein Paar (oder mehrere) mikroskopischer Partikel in einem verschränkten Zustand befinden, beeinflussen sie sich gegenseitig. Wenn sich der Zustand eines Teilchens ändert, ändert sich der des anderen sofort. Das Erstaunlichste dabei ist, dass diese Verschränkung nicht wirklich einem im makroskopischen Sinn ineinander verwickelten Fadenknäuel gleicht, sondern über eine sehr große Distanz erreicht werden kann.

Schauen wir uns ein Beispiel an. Wenn sich zwei mikroskopisch kleine Äpfel ineinander verwickeln, wird der eine sofort grün und der andere rot. Selbst wenn sich einer von ihnen auf der Venus und der andere auf dem Mars befindet, erfolgt dieser Zustandswechsel dennoch augenblicklich über Zeit und Raum hinweg.

Die Quantenverschränkung ist so magisch, dass sie, nachdem ihr Konzept einmal vorgestellt worden war, sofort zur theoretischen Grundlage vieler wissenschaftlicher Fantasien wurde, von denen Teleportation und Quantenkommunikation die typischsten sind. Die sogenannte Sofortbewegung ist Doraemons Portal, das Personen oder Objekte augenblicklich an einen weit entfernten Ort teleportieren kann. Es muss gesagt werden, dass die Quantenverschränkung zwar ein wenig mit der Bedeutung von Teleportation zu tun hat, sich jedoch nicht das Ganze bewegt, sondern nur der Zustand und ein spezieller Zustand mikroskopischer Teilchen. Daher ist die Frage, ob Teleportation möglich ist, keine Frage, die durch Quantenverschränkung beantwortet werden kann.

Eine Methode zur Herstellung verschränkter Photonenpaare

(Bildquelle: Wikipedia, Autor: Lao Chen)

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Quantenkommunikation lässt wissenschaftliche Fantasie Wirklichkeit werden

Tatsächlich ist die Quantenkommunikation jedoch zu einem der aktuellen Forschungsschwerpunkte der Menschheit geworden und ihre theoretische Grundlage ist die Quantenverschränkung. Stellen Sie sich vor, wenn sich zwei Teilchen in einem verschränkten Zustand befinden, bleibt, unabhängig von ihrer Entfernung, der Zustand des einen Teilchens durch unsere Beobachtung ebenfalls festgelegt. Das heißt, obwohl die Entität nicht übertragen werden kann, können Informationen übertragen werden. Ist es nicht genau das, was die moderne Kommunikation bewirkt?

Die eigentliche Quantenkommunikation ist natürlich sehr kompliziert, aber wir können dennoch Analogien verwenden, um den Implementierungsprozess der Quantenkommunikation so einfach wie möglich zu verstehen.

Zuerst müssen wir in einem mikroskopischen Obstgarten zwei kleine Äpfel züchten, die den Zustand der Quantenverschränkung erreichen. Einer von ihnen ist grün und der andere rot. Wenn einer die Farbe ändert, ändert der andere gleichzeitig sofort die Farbe. Als nächstes schicken wir einen der beiden kleinen Äpfel zum Mars und der andere bleibt auf der Erde. Da sie derzeit nicht in der Lage sind, Informationen zu übertragen, müssen wir speziell zur Kontrolle einen kleinen Apfel einführen.

Wenn wir den dritten kleinen Apfel in die Nähe des kleinen Apfels auf der Erde bringen, ändert sich der Zustand des kleinen Apfels auf der Erde beispielsweise von Rot nach Grün. Zu diesem Zeitpunkt wird der kleine Apfel auf dem Mars diese Veränderung sofort spüren und seine Farbe von grün auf rot ändern. Auf diese Weise wird eine Signalübertragung abgeschlossen. Wenn wir dann den dritten Apfel vom Boden wegnehmen, wird der erste Apfel sofort wieder rot und der zweite Apfel auf dem Mars wird sofort grün. Sogar die Zustände Rot und Grün können in einem Binärcomputer als 0 und 1 definiert werden. Wenn sich der dritte Apfel schnell genug nähert und weggenommen wird, können wir in kurzer Zeit umfangreiche Informationen übermitteln.

Man muss sagen, dass die Quantenverschränkung aus der Sicht eines normalen Menschen wirklich zu „seltsam“ ist. Sogar schwarze Löcher sind nicht so schwer zu akzeptieren. Es handelt sich jedoch tatsächlich um das Grundgesetz der materiellen Welt. Wie das Nobelpreiskomitee bei der Bekanntgabe der Auszeichnung erklärte, ist die Quantenverschränkung weder die Selbstunterhaltung von Wissenschaftsfreaks noch eine wissenschaftliche Fantasie. Tatsächlich existiert es um jeden Einzelnen von uns herum.

Erwähnenswert ist, dass das Beispiel des chinesischen Quantenkommunikationssatelliten Micius, der 2018 ein interkontinentales Quantenkommunikationsexperiment durchführte, auch in der offiziellen PPT erschien, als die Auszeichnung bekannt gegeben wurde. Dies ist eine großartige Bestätigung der Erfolge Chinas auf diesem Gebiet und wir freuen uns auf weitere gemeinsame Fortschritte.

Chinas Mozi erschien im offiziellen Nobelpreis-PPT

(Bildquelle: Offizielle Website des Nobelpreises)

Ob es sich gestern um den Preis für Physiologie oder Medizin oder heute um den Preis für Physik handelte, der diesjährige Nobelpreis scheint die Grundlagenforschung stärker zu begünstigen. Ich frage mich, wer den Chemiepreis gewinnen wird? Warten wir es ab.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Zhang Hao

Hersteller: China Science Expo

Der Artikel wurde von Science Popularization China erstellt, von Zhang Hao produziert und von der China Science Popularization Expo betreut. Bei Nachdruck bitte die Quelle angeben

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