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Gibt es auf der Welt zwei identisch rollende Bowlingkugeln? Was ist Quantenverschränkung (bei Photonen)?

| Autor / Redakteur: Holm Landrock* / Ulrike Ostler

Würden zwei Bowlingkugeln auf zwei verschiedenen Bahnen absolut identisch auf die Pins zurollen, wären sie „bowlingverschränkt“ - die eine Kugel bewegt sich absolut synchron mit der anderen - magisch. Im Universum können Photonen tatsächlich miteinander verschränkt sein. Man spricht dann von Quantenverschränkung, englisch: quantum entanglement.

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Die Quantenverschränkung funktioniert auch über Hunderte von Kilometern hinweg, so dass sie sich für die Kommunikationsverschlüsselung über Sateliten bestens eignet.
Die Quantenverschränkung funktioniert auch über Hunderte von Kilometern hinweg, so dass sie sich für die Kommunikationsverschlüsselung über Sateliten bestens eignet.
(Bild: © djama - stock.adob.com)

Im Quantencomputing gibt es ein zwei Begriffe, die sich mit Bowlingkugeln, wenn auch unzureichend, so doch annähernd, beschreiben lassen: Der Spin und die Quantenverschränkung. Ähnlich wie der Effekt, den der Spieler einer Bowlingkugel verpasst, lässt sich der Zustand eines Quants mit einem Punkt auf der Oberfläche einer Bowlingkugel beschreiben, während diese rollt.

Der Pfad, den dieser Punkt zieht, wäre der Spin. Was nun eine Bowlingkugel bei ganz normalen Temperaturen macht, lässt sich bei Photon erst ablesen, wenn diese, durch die Kühlung auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt, verlangsamt werden. Würden zwei Bowlingkugeln auf zwei völlig verschiedenen Anlagen auf der Welt absolut identisch rollen, wären sie sozusagen bowlingverschränkt.

Spontane parametrische Abwärtskonvertierungsprozesse können Photonen in Photonenpaare vom Typ II mit zueinander senkrechter Polarisation aufspalten.- Die Darstellung der Erzeugung eines verschränkten Photonenpaares durch spontane parametrische Abwärtskonvertierung beim Durchgang eines Laserstrahls durch einen nichtlinearen Kristall ist inspiriert durch ein Bild in „Tanz der Photonen“ von Anton Zeilinger. Diese Darstellung ist jedoch aus einem anderen Winkel, um das für diesen Prozess typische Muster besser zu zeigen. Sie zeigt deutlich, dass der Pumpstrahl über das gesamte Bild hinweg weiterläuft, und stellt besser dar, dass die Photonen verschränkt sind.
Spontane parametrische Abwärtskonvertierungsprozesse können Photonen in Photonenpaare vom Typ II mit zueinander senkrechter Polarisation aufspalten.- Die Darstellung der Erzeugung eines verschränkten Photonenpaares durch spontane parametrische Abwärtskonvertierung beim Durchgang eines Laserstrahls durch einen nichtlinearen Kristall ist inspiriert durch ein Bild in „Tanz der Photonen“ von Anton Zeilinger. Diese Darstellung ist jedoch aus einem anderen Winkel, um das für diesen Prozess typische Muster besser zu zeigen. Sie zeigt deutlich, dass der Pumpstrahl über das gesamte Bild hinweg weiterläuft, und stellt besser dar, dass die Photonen verschränkt sind.
(Bild: CC BY 3.0 / CC BY 3.0)

Paarweise erzeugte Photonen sind miteinander verschränkt und dies unabhängig von ihrem Ort. Sie haben den gleichen Spin. Wird der Spin eines Photons verändert, verändert sich auch das andere Photon. Als ob die beiden Photonen durch eine unsichtbare Kraft miteinander verbunden wären.

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Einstein nannte die unsichtbare Verschränkung von Teilchen die spukhafte Quantenverschränkung. Diese Eigenschaft der Quantenphysik wird in Quantencomputern nutzbar gemacht, beispielsweise, um die Zustände von Qubits steuerbar und auswertbar zu machen.

Das ist auch notwendig, denn die Heisenbergsche Unschärferelation, das Rätsel um Schrödingers Katze und Einsteins Relativitätstheorie beschreiben Phänomene von Teilchen, wobei eine wichtige Erkenntnis der Theorien ist dabei, dass Teilchen sowohl Energie als auch Masse sein können. Grundsätzlich lässt sich nicht mit Bestimmung feststellen, welchen Zustand ein Teilchen zu einem Zeitpunkt hat. Man kann nicht beide Zustände gleichzeitig messen, also nicht sagen, welchen Zustand ein Teilchen gerade hat.

Die Quantenverschränkung gilt auch für die Qubits eines Quantencomputers. Verschränkte Teilchen erreichen einen – gewissermaßen – steuerbaren Zustand. Der Zustand der verschränkten Teilchen der Qubits kann durch die Verlangsamung beeinflusst und ausgewertet werden. Die Quantenverschränkung ist ein Grundkonzept der Steuerung von Quantencomputern.

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Um die Faszination der Quantenverschränkung zu verstehen, muss man sich vergegenwärtigen, dass dies alles permanent und überall im Universum passiert und vielleicht sogar das Universum als solches zusammenhält. Erst durch das Einbremsen einzelner Teilchen – wie in einem Quantencomputer – lässt sich mit in einem technischen System darstellen.

Übrigens: Vor ein paar Jahren ist es Wissenschaftlern gelungen, die Quantenverschränkung zu filmen.

* Holm Landrock ist freier Autor und lebt in Berlin.

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