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Wie verbindet Quantenverschränkung Teilchen über riesige Entfernungen? - Spukhafte Fernwirkung: Wie die Quantenphysik unsere Welt verändert | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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  Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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  Albert Einstein nannte es spukhafte Fernwirkung
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  und war zeitlebens davon überzeugt, dass es so
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  etwas nicht geben kann. Doch die Quantenphysik
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  hat ihm an dieser Stelle widersprochen. Die Verschränkung
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  von Teilchen ist real und erweist sich als eine
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  der nützlichsten Erkenntnisse darüber, wie unser
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  Universum tatsächlich funktioniert. Diese Folge
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  beleuchtet, was genau passiert, wenn zwei Teilchen
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  so tief miteinander verbunden sind, dass eine
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  Messung an einem den Zustand des anderen augenblicklich
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  bestimmt. Selbst über tausende von Kilometern
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  hinweg. Wir folgen der historischen Entwicklung
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  von Einstandszweifeln über die bahnbrechenden
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  Experimente von Allard, Aspect und Anton Zeilinger
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  bis hin zu modernen Anwendungen wie Quantencomputern
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  und abhörsicherer Kommunikation. Dabei wird auch
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  deutlich, warum diese Phänomene keineswegs gegen
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  die Relativitätstheorie verstoßen, aber unsere
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  Vorstellung von unabhängig existierenden Dingen
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  grundlegend verändern. Bei der Arbeit an dieser
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  Episode kehrte ich immer wieder zu einer einfachen
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  Frage zurück, wenn die Wirklichkeit auf ihrer
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  tiefsten Ebene nicht aus getrennten Bausteinen
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  besteht, sondern aus Beziehungen, was bedeutet
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  das dann für uns? Mich fasziniert der Gedanke,
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  dass dieselben Quantenregeln, die den Rand eines
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  schwarzen Lochs beherrschen, auch für die Atome
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  in unserer eigenen Hand gelten. Wir sind nicht
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  bloß Beobachter dieses unsichtbaren Gewebes,
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  sondern ein Teil von ihm. Lassen Sie uns gemeinsam
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  eintauchen in eine der strangsten und zugleich
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  faszinierendsten Wahrheiten der modernen Wissenschaft.
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  Albert Einstein nannte es spukhafte Fernwirkung.
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  Er verbrachte sein Leben damit, zu beweisen,
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  dass es so etwas nicht geben kann. Er irrte sich.
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  Und dieser Irrtum erweist sich als die vielleicht
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  nützlichste einzelne Tatsache darüber, wie das
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  Universum tatsächlich funktioniert. Stell dir
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  vor, du schrumpfst. Nicht ein bisschen. Nicht
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  so, als tätest du von einem Gemälde zurück. Unvorstellbar
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  weit. Vorbei an der Größe von Sandkörnern. Vorbei
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  an Zellen. Vorbei an Molekülen. Vorbei an den
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  einzelnen Atomen selbst. Du gleitest an Elektronen
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  in ihren stillen Bahnen vorbei. Du sinkst durch
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  den Atomkern hindurch und gelangst immer weiter.
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  Bis du dich an einem Ort wieder findest, an dem
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  die vertrauten Kanten der Dinge beginnen, sich
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  aufzulösen. Hier und dort. Vorher und nachher.
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  Diese Unterscheidungen im Alltag so scharf werden
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  weich und ungewiss. Das ist die Quantenwelt.
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  In diesem Reich verhalten sich Dinge nicht wie
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  Murmeln auf einem Tisch. Ein Teilchen ist nicht
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  einfach an einem Ort und wartet darauf, gefunden
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  zu werden. Es existiert als eine Art Wolke aus
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  Möglichkeiten. Eine Verteilung potenzieller Zustände,
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  die alle gleichermaßen wirklich sind, bis etwas
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  eine Entscheidung erzwingt. Physiker nennen das
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  Superposition. Das Teilchen besitzt seine Eigenschaften
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  nicht im Voraus. Nicht so, wie ein Apfel rot
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  und rund ist, ob nun jemand hinsieht oder nicht.
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  Die Eigenschaften entstehen erst im Moment der
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  Messung. Davor schwebt das Teilchen in einem
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  Nebel aus dem, was sein könnte. Stell dir nun
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  zwei solche Teilchen vor. Zwei winzige Lichtphotonen,
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  gemeinsam geboren in einem speziellen Kristall.
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  Ein Laserstrahl tritt ein. Durch einen Prozess,
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  den Physiker spontane parametrische Fluoreszenz
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  nennen, teilt sich ein energiereiches Photon
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  in zwei Tochterphotonen. Was dabei entsteht,
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  ist nicht das, was man erwarten würde. Diese
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  beiden neuen Photonen sind keine unabhängigen
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  Geschwister, jedes mit seiner eigenen getrennten
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  Identität. Die Gleichungen der Quantenmechanik
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  beschreiben sie als ein einziges Ganzes, eine
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  gemeinsame Existenz, eine Wellenfunktion, die
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  beide umfasst. Diese tiefe Verbindung nennen
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  wir Verschwenkung. Folgen wir nun einem dieser
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  Zwillinge. Wir legen es behutsam in eine Glasfaser
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  und schicken es auf den Weg. Es rast durch dünne
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  Kabel. Aus dem Labor hinaus. Über Felder und
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  Flüsse. Über ganze Kontinente. Das andere Photon
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  bleibt bei uns. Wir halten es fest. während sein
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  verschränkter Partner immer weiter entfernt unterwegs
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  ist. Im Jahr 2017 taten Forscher um den Physiker
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  Yan Weipan genau das. Sie schickten ein Futon
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  hinauf zu einem Satelliten namens Mitius, der
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  hoch über der Erde kreist. Sein Zwilling blieb
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  in einem Labor in den chinesischen Bergen, 1200
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  Kilometer voneinander entfernt. Die Verbindung
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  hielt. Nun geschieht etwas, das unsere Vorstellungskraft
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  auf besondere Weise herausfordert. Wir messen
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  eine Eigenschaft unseres Photons. Seine Polarisation
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  zum Beispiel. Die Richtung, in der seine Lichtwelle
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  schwingt. Bevor wir messen, ist diese Richtung
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  nicht festgelegt. Das Photon trägt sie nicht
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  verborgen in sich, wie einen gefalteten Zettel.
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  In dem Moment, in dem wir messen, nimmt das Photon
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  einen bestimmten Wert an. Und im selben Augenblick,
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  das bestätigen unzählige Experimente, nimmt auch
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  sein ferner Zwilling einen bestimmten, entsprechenden
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  Wert an. Obwohl er weit entfernt ist. Obwohl
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  keine Nachricht zwischen ihnen ausgetauscht wurde.
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  Obwohl ein Lichtsignal die Strecke unmöglich
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  schnell genug überwinden könnte. Und wir wissen,
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  dass Lichtgeschwindigkeit das Schnellste ist,
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  was sich im Universum bewegen kann. Doch selbst
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  das wäre nicht schnell genug. Albert Einstein,
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  einer der größten Physiker der Geschichte, fand
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  dieses Verhalten zutiefst beunruhigend. Im Jahr
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  1935 veröffentlichte er zusammen mit seinen Kollegen
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  Boris Podolski und Nathan Rosen eine berühmte
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  Arbeit. Sie ist einfach nach ihren Initialen
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  bekannt. Iparona. Darin versuchten sie zu zeigen,
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  dass die Quantenmechanik unvollständig sein muss.
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  Wenn zwei Teilchen so weit voneinander entfernt
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  sein konnten, ohne in Kontakt zu bleiben, so
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  argumentierten sie, dann könne eine Messung an
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  einem Teilchen das andere nicht augenblicklich
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  beeinflussen. Einstein sprach mit unverkennbarem
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  Unbehagen von einer spukhaften Fernwirkung. Für
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  ihn war es undenkbar, dass die Natur auf so tiefer
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  Ebene die vertraute Idee der Lokalität verletzen
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  würde. Die Vorstellung, dass das, was hier geschieht,
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  seine Wirkung hier zeigt und nur allmählich durch
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  Kontakt anderswo. Doch Einstein irrte sich, zumindest
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  in dieser einen Sache. Wir wissen das, weil ein
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  anderer Physiker im Jahr 1964 Eine Beobachtung
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  machte, die auf den ersten Blick wie eine einfache
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  mathematische Übung wirkt. In Wahrheit gehört
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  sie zu den tiefsten Einsichten der modernen Wissenschaft.
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  Dieser Physiker war ein stiller, nachdenklicher
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  Mann aus Nordirland namens John Stuart Bell.
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  Bell formulierte eine Ungleichung. Eine Grenze,
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  die jede Theorie respektieren muss, wenn Teilchen
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  ihrer Eigenschaften vor der Messung in sich tragen.
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  und wenn keine augenblickliche Verbindung über
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  Entfernungen hinweg existiert. Sollten Experimente
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  zeigen, dass diese Grenze überschritten wird,
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  so folgerte Bell, dann kann die Welt nicht so
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  sein, wie Einstein sie sich wünschte. Reisende
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  nun zu den Experimenten, die Bells Denken überprüften.
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  Wir begeben uns nach Frankreich, an die Universität
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  Paris -Süd, in die frühen 1980er Jahre. Dort
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  baute ein junger Physiker namens Alain, Aspekt
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  mit großer Sorgfalt eine Apparatur. Sie erzeugte
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  verschränkte Photonenpaare und maß ihre Polarisation
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  in weit voneinander entfernten Detektoren. Zwischen
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  1981 und 1981 gelang es ihm und seinem Team,
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  Bells Ungleichungen mit einer nie zuvor erreichten
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  Präzision zu testen. Das Ergebnis war eindeutig.
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  Die von Bell formulierte Grenze wurde verletzt.
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  Die Natur verhält sich nicht so, wie Einstein
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  es sich vorgestellt hatte. Verschränkung ist
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  real. In den folgenden Jahrzehnten verfeinerten
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  Forscher auf der ganzen Welt diese Experimente.
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  Der österreichische Physiker Anton Zeilinger
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  und seine Kollegen in Wien und Innsbruck demonstrierten
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  Verschränkung über immer größere Entfernungen.
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  Sie arbeiteten mit immer besseren Methoden und
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  mit immer raffinierteren Aufbauten. Sie schlossen
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  jedes denkbare Schlupfloch, in dem sich klassische
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  Erklärungen noch hätten verstecken können. Sie
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  schlossen sogar jene letzten Lücken, durch die
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  irgendeine alternative Erklärung noch hätte entkommen
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  können. Im Jahr 2022 erhielten Alain Aspect,
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  John Clauser und Anton Zeilinger gemeinsam den
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  Nobelpreis für Physik. Sie erhielten ihn für
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  ihre bahnbrechende Arbeit zur Verschränkung und
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  für die Begründung des neuen Feldes, das wir
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  heute Quanteninformation nennen. Tauchen wir
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  nun tiefer ein und fragen, was diese Verschränkung
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  eigentlich bedeutet. Es ist wichtig, eine Feinheit
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  zu verstehen, die oft missverstanden wird. Verschränkung
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  überträgt keine Nachrichten. Niemand kann verschränkte
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  Teilchen nutzen, um Informationen schneller als
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  das Licht zu senden. Das Ergebnis jeder einzelnen
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  Messung an einem Teilchen ist für sich genommen
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  völlig zufällig. Erst wenn die Messergebnisse
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  beider Teilchen später verdichten werden, wird
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  das tiefe Muster ihrer Korrelation sichtbar.
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  Verschränkung widerspricht also nicht der Relativitätstheorie.
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  die Einstein selbst begründet hat. Sie durchbricht
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  nicht die Grenze der Lichtgeschwindigkeit, aber
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  sie durchbricht eine ältere Annahme. Eine, die
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  fast zu selbstverständlich schien, um sie zu
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  hinterfragen. Die Annahme, dass entfernte Dinge
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  in der Welt immer unabhängig voneinander sind.
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  Verschränkung zeigt uns, dass die Wirklichkeit
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  auf ihrer tiefsten Ebene nicht aus getrennten
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  Bausteinen besteht, sondern aus Beziehungen.
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  aus einer Art unsichtbarem Gewebe, in dem Teilchen,
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  die einmal verbunden waren, miteinander verwoben
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  bleiben. Der amerikanische Physiker David Bohm
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  sprach von einer impliziten Ordnung, die unter
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  der Oberfläche der Dinge liegt. Stell dir die
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  Oberfläche eines Flusses vor. Wellen und Wirbel
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  erscheinen getrennt, aber unter der Oberfläche
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  sind sie alle Bewegungen desselben Wassers. Bohm
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  vermutete, dass das, was wir als getrennte Teilchen
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  sehen, wie diese Wellen sein könnte. Oberflächenausdrücke
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  einer tieferen, geeinten Wirklichkeit. Andere
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  Denker sehen in der Verschränkung einen Hinweis
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  darauf, dass der Raum selbst vielleicht keine
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  grundlegende Eigenschaft der Welt ist. Er könnte
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  etwas sein, das aus einer noch tieferen Schicht
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  hervorgeht. Einige moderne Theorien der Quantenkabitation
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  vermuten sogar, dass die Struktur von Raum und
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  Zeit aus dem Netzwerk der Verschränkung selbst
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  gewoben ist. Treten wir nun weiter hinein in
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  die Labore der Gegenwart. Dort ist Verschränkung
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  nicht mehr nur Gegenstand philosophischer Betrachtung.
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  Sie ist zum Werkzeug einer neuen Technologie
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  geworden. Stell dir einen kleinen Raum vor. in
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  dem eine große, sisbrige Apparatur steht, umgeben
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  von Kühlrohren und feinen Kabeln. Im Inneren,
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  gekühlt bis knapp über den absoluten Nullpunkt,
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  liegen winzige Schaltkreise aus supraleitendem
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  Metall. Diese Schaltkreise tragen die Information
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  von Quantenbits oder Qubits. Anders als gewöhnliche
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  Bits in unseren Computern, die nur 0 oder 1 kennen,
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  können Qubits in Superposition existieren. Und
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  sie können miteinander verschränkt werden. Ein
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  Quantencomputer nutzt diese Eigenschaften, um
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  bestimmte Rechenprobleme auflegend zu lösen,
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  die klassischen Maschinen verschlossen bleiben.
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  Im Jahr 2019 berichtete ein Team bei Google,
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  dass ihr Prozessor namens Sycamore eine Aufgabe
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  gelöst hatte. Nach einer Setzung hätte ein klassischer
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  Supercomputer für diese Aufgabe 10 .000 Jahre
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  gebraucht. Sycamore schaffte es in etwa drei
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  Minuten. Seitdem wetteifern Forschungsteams in
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  vielen Ländern darum, immer größere verschränkte
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  Zustände auf immer größeren Quantencomputern
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  zu erzeugen und zu kontrollieren. Verschränkung
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  ist hier kein schmückendes Beiwerk. Sie ist die
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  eigentliche Quelle der Rechenleistung. Eine weitere
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  Anwendung, die nun aus dem Labor tritt, ist die
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  Quantenkryptographie. Auch hier reisen wir in
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  Gedanken zu Experimenten mit verschränkten Photonen.
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  Zwei entfernte Parteien, etwa eine Bank und ihre
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  Kundin, können Paare verschränkter Teilchen austauschen.
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  Aus Messungen an ihnen können sie einen geheimen
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  Schlüssel ableiten, den niemand unbenerkt abhören
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  kann. Zwischen den Teilchen mitzuhören, würde
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  die empfindliche Struktur ihrer Verschränkung
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  stören und sich sofort verraten. Im Jahr 2020
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  gelang es dem chinesischen Team um Yanwai -Pan,
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  ein solches Verfahren über mehr als 1100 Kilometer
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  zu testen. Es schickte verschränkte Photonen
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  von einem Satelliten zu zwei weit voneinander
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  entfernten Bodenstationen. Verschränkung hält
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  auch Einzug in die Welt der Messung. Mit Anordnungen
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  verschränkter Atome bauen Forscher heute Atomuhren
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  und Sensoren, die empfindlicher sind, als die
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  Naturgesetze es für klassische Geräte erlauben.
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  Der amerikanische Physiker Jun Ye und sein Team
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  entwickelten optische Atomuhren von außergewöhnlicher
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  Genauigkeit. Über die fast 14 Milliarden Jahre
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  seit dem Urknall würden sie nur um Bruchteile
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  einer Sekunde abweichen. Verschränkte Atome machen
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  es möglich, das Quantenrauschen zu unterdrücken,
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  das bei klassischen Messungen unvermerklich ist.
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  Das gilt in bestimmten Richtungen. Es eröffnet
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  Wege, Gravitationsfelder, winzige Bewegungen
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  oder die Struktur des Raumes selbst mit beispielloser
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  Präzision zu erforschen. Weiten wir nun unseren
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  Blick und gehen vom Kleinsten zum Größten. Was
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  hat Verschränkung mit dem Kosmos als Ganzem zu
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  tun? Die Antwort ist bemerkenswert. In den frühesten
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  Momenten des Universums, unmittelbar nach dem
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  Urknall, war alles, was heute existiert, in einem
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  winzigen, heißen, dichten Raum vereint. In diesem
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  Zustand entstanden nach den Gesetzen der Quantenphysik
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  unzählige Verschränkungen. Wenn die heutigen
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  kosmologischen Theorien stimmen, dann tragen
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  die Strukturen des Universums noch immer Spuren
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  dieser ursprünglichen Verbindungen. Die Verteilung
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  der Galaxien. Das feine Muster der Temperaturschwankungen
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  im Nachglühen des Urknalls, der sogenannten kosmischen
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  Hintergrundstrahlung. Wir leben in einem Universum,
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  dessen Geschichte in Verschränkungen geschrieben
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  ist. Noch erstaunlicher wird es, wenn wir zu
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  den schwarzen Löchern heißen. Die britische Physikerin
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  Sabine Hossenfelder, der amerikanische Forscher
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  Leonard Suskind und viele andere haben in den
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  letzten Jahren untersucht, wie sich Information
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  verhält, wenn sie in ein schwarzes Loch fällt
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  und später als schwache Strahlung, als Hawking
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  -Strahlung, wieder entkommt. In diesen Überlegungen
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  erscheint Verschränkung immer wieder als zentraler
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  Punkt. Manche Arbeiten legen nahe, dass die innere
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  Struktur eines schwarzen Lochs durch ein dichtes
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  Netz aus Verschränkung mit der Außenwelt verbunden
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  ist. Der theoretische Physiker Juan Maldacena
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  und Leonard Suskind schlugen 2013 vor, dass zwei
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  verschränkte Teilchen eine Art winzige, durchquerbare
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  Brücke teilen könnten. Einen sogenannten Wurmlochfaden.
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  trägt den klangvollen Namen er gleich Epo. Der
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  Name bezieht sich auf eine frühere Arbeit von
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  Einstein und Rosen über Wurmlöcher und auf die
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  bereits erwähnte Epa -Arbeit. Ob diese Vorstellung
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  die tiefe Wahrheit wirklich erfasst, ist noch
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  lange nicht entschieden. Aber sie zeigt einhugsvoll,
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  wie sehr Raum und Zeit im zeitgenössischen Denken
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  miteinander verschränkt sind. Halten wir nun
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  inne und spüren, was all das bedeuten könnte.
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  Wir sind Wesen aus Teilchen. Kohlenstoff, Wasserstoff,
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  Sauerstoff, Stickstoff und viele andere Elemente,
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  die vor langer Zeit im Inneren vergangener Sterne
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  geschmiedet wurden. Diese Teilchen tragen die
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  lange Geschichte des Universums in sich. Ob verschränkte
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  Zustände einzelner Atome in unseren Körpern über
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  lange Zeiträume fortbestehen, ist umstritten
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  und Gegenstand aktueller Forschung. Manche Wissenschaftler
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  vermuten, dass bestimmte Prozesse in lebenden
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  Zellen Quantenphänomene nutzen. Zum Beispiel
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  die Photosynthese bei manchen Bakterien. Oder
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  im Auge von Vögeln, das während des Vogelzugs
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  das Magnetfeld der Erde wahrnimmt. Forscher wie
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  Thorsten Ritz haben untersucht, wie Quanteneffekte
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  bei der Navigation von Vöbeln wirken könnten.
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  Andere gehen weiterhin diesen möglichen Brücken
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  zwischen Quantenphysik und Biologie nach. Doch
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  wie stark diese einzelnen Verbindungen auch sein
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  mögen, eines ist sicher. Wir bestehen aus demselben
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  Stoff wie das funkelnde Muster verschränkter
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  Teich. Wir werden beherrscht von denselben Gesetzen
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  jener Welt, in der Verschränkung möglich ist.
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  Lass uns nun langsam zurücktreiben. Aus den fernen
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  Tischen der Quantenwelt. Vorbei an Schaltkreisen
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  und Satelliten. Vorbei am stillen Flüstern des
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  Urknalls. Zurück zu einem kleinen blauen Planeten,
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  der sich langsam im Dunkeln dreht. Dieser Planet
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  ist unsere Erde. Auch sie ist Teil der großen
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  Geschichte, die wir heute erzählt haben. Auch
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  sie ist aus Sternenstaub gewoben. Aber sie trägt
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  in ihren Ozeanen, ihren Wäldern, ihren Tieren
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  und in jeder Pflanze die alten Spuren der Kräfte
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  und Gesetze, die die allerersten Teilchen miteinander
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  verbanden. Denk daran, dass selbe unsichtbare
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  Gewebe, das zwei Photonen über 1000 Kilometer
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  hinweg verbindet, durchzieht auch deinen eigenen
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  Körper. Dieselben Quantenregeln, die den Rand
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  eines schwarzen Lochs beherrschen, beherrschen
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  die Atome deiner Hand. Du bist nicht getrennt
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  von dieser Geschichte. Du bist in ihr. Das Universum
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  endet nicht an deiner Haut. Die Verbindungen,
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  die Verschränkung offenbart, sind Verbindungen,
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  aus denen du gemacht bist. Lass die Gedanken
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  an Teilchen und Felder, an Photonen, nun sanft
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  weiterziehen. Sie dürfen bleiben oder gehen,
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  ganz wie du möchtest. Spüre, wie du ruhig und
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  geborgen ruhst, getaden von einer Erde, die ihren
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  Weg seit mehr als viereinhalb Milliarden Jahren
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  geht. Eingebettet in ein Universum voller Wunder
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  und voller Verbindungen, die wir gerade erst
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  zu verstehen beginnen. Du bist Teil dieses großen
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  Gewebes. Und während du nun immer tiefer singst,
• 22:15
  immer weicher, immer stiller, darfst du einfach
• 22:19
  alles Wissen dieser Weise loslassen. Es ist in
• 22:23
  dir aufgehoben, so wie die Sterne in der Nacht
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  aufgehoben sind, auch wenn wir sie nicht immer
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  sehen.