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

0:05 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Albert Einstein nannte es spukhafte Fernwirkung und war zeitlebens davon überzeugt, dass es so etwas nicht geben kann. Doch die Quantenphysik hat ihm an dieser Stelle widersprochen. Die Verschränkung von Teilchen ist real und erweist sich als eine der nützlichsten Erkenntnisse darüber, wie unser Universum tatsächlich funktioniert. Diese Folge beleuchtet, was genau passiert, wenn zwei Teilchen so tief miteinander verbunden sind, dass eine Messung an einem den Zustand des anderen augenblicklich bestimmt. Selbst über tausende von Kilometern hinweg. Wir folgen der historischen Entwicklung von Einstandszweifeln über die bahnbrechenden Experimente von Allard, Aspect und Anton Zeilinger

0:56 bis hin zu modernen Anwendungen wie Quantencomputern und abhörsicherer Kommunikation. Dabei wird auch deutlich, warum diese Phänomene keineswegs gegen die Relativitätstheorie verstoßen, aber unsere Vorstellung von unabhängig existierenden Dingen grundlegend verändern. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer einfachen Frage zurück, wenn die Wirklichkeit auf ihrer tiefsten Ebene nicht aus getrennten Bausteinen besteht, sondern aus Beziehungen, was bedeutet das dann für uns? Mich fasziniert der Gedanke, dass dieselben Quantenregeln, die den Rand eines schwarzen Lochs beherrschen, auch für die Atome in unserer eigenen Hand gelten. Wir sind nicht bloß Beobachter dieses unsichtbaren Gewebes,

1:43 sondern ein Teil von ihm. Lassen Sie uns gemeinsam eintauchen in eine der strangsten und zugleich faszinierendsten Wahrheiten der modernen Wissenschaft. Albert Einstein nannte es spukhafte Fernwirkung. Er verbrachte sein Leben damit, zu beweisen, dass es so etwas nicht geben kann. Er irrte sich. Und dieser Irrtum erweist sich als die vielleicht nützlichste einzelne Tatsache darüber, wie das Universum tatsächlich funktioniert. Stell dir vor, du schrumpfst. Nicht ein bisschen. Nicht so, als tätest du von einem Gemälde zurück. Unvorstellbar weit. Vorbei an der Größe von Sandkörnern. Vorbei an Zellen. Vorbei an Molekülen. Vorbei an den einzelnen Atomen selbst. Du gleitest an Elektronen in ihren stillen Bahnen vorbei. Du sinkst durch

2:48 den Atomkern hindurch und gelangst immer weiter. Bis du dich an einem Ort wieder findest, an dem die vertrauten Kanten der Dinge beginnen, sich aufzulösen. Hier und dort. Vorher und nachher. Diese Unterscheidungen im Alltag so scharf werden weich und ungewiss. Das ist die Quantenwelt. In diesem Reich verhalten sich Dinge nicht wie Murmeln auf einem Tisch. Ein Teilchen ist nicht einfach an einem Ort und wartet darauf, gefunden zu werden. Es existiert als eine Art Wolke aus Möglichkeiten. Eine Verteilung potenzieller Zustände, die alle gleichermaßen wirklich sind, bis etwas eine Entscheidung erzwingt. Physiker nennen das Superposition. Das Teilchen besitzt seine Eigenschaften nicht im Voraus. Nicht so, wie ein Apfel rot

3:49 und rund ist, ob nun jemand hinsieht oder nicht. Die Eigenschaften entstehen erst im Moment der Messung. Davor schwebt das Teilchen in einem Nebel aus dem, was sein könnte. Stell dir nun zwei solche Teilchen vor. Zwei winzige Lichtphotonen, gemeinsam geboren in einem speziellen Kristall. Ein Laserstrahl tritt ein. Durch einen Prozess, den Physiker spontane parametrische Fluoreszenz nennen, teilt sich ein energiereiches Photon in zwei Tochterphotonen. Was dabei entsteht, ist nicht das, was man erwarten würde. Diese beiden neuen Photonen sind keine unabhängigen Geschwister, jedes mit seiner eigenen getrennten Identität. Die Gleichungen der Quantenmechanik beschreiben sie als ein einziges Ganzes, eine

4:44 gemeinsame Existenz, eine Wellenfunktion, die beide umfasst. Diese tiefe Verbindung nennen wir Verschwenkung. Folgen wir nun einem dieser Zwillinge. Wir legen es behutsam in eine Glasfaser und schicken es auf den Weg. Es rast durch dünne Kabel. Aus dem Labor hinaus. Über Felder und Flüsse. Über ganze Kontinente. Das andere Photon bleibt bei uns. Wir halten es fest. während sein verschränkter Partner immer weiter entfernt unterwegs ist. Im Jahr 2017 taten Forscher um den Physiker Yan Weipan genau das. Sie schickten ein Futon hinauf zu einem Satelliten namens Mitius, der hoch über der Erde kreist. Sein Zwilling blieb in einem Labor in den chinesischen Bergen, 1200 Kilometer voneinander entfernt. Die Verbindung

5:44 hielt. Nun geschieht etwas, das unsere Vorstellungskraft auf besondere Weise herausfordert. Wir messen eine Eigenschaft unseres Photons. Seine Polarisation zum Beispiel. Die Richtung, in der seine Lichtwelle schwingt. Bevor wir messen, ist diese Richtung nicht festgelegt. Das Photon trägt sie nicht verborgen in sich, wie einen gefalteten Zettel.

6:12 In dem Moment, in dem wir messen, nimmt das Photon einen bestimmten Wert an. Und im selben Augenblick, das bestätigen unzählige Experimente, nimmt auch sein ferner Zwilling einen bestimmten, entsprechenden Wert an. Obwohl er weit entfernt ist. Obwohl keine Nachricht zwischen ihnen ausgetauscht wurde.

6:35 Obwohl ein Lichtsignal die Strecke unmöglich schnell genug überwinden könnte. Und wir wissen, dass Lichtgeschwindigkeit das Schnellste ist, was sich im Universum bewegen kann. Doch selbst das wäre nicht schnell genug. Albert Einstein, einer der größten Physiker der Geschichte, fand dieses Verhalten zutiefst beunruhigend. Im Jahr 1935 veröffentlichte er zusammen mit seinen Kollegen Boris Podolski und Nathan Rosen eine berühmte Arbeit. Sie ist einfach nach ihren Initialen bekannt. Iparona. Darin versuchten sie zu zeigen, dass die Quantenmechanik unvollständig sein muss.

7:19 Wenn zwei Teilchen so weit voneinander entfernt sein konnten, ohne in Kontakt zu bleiben, so argumentierten sie, dann könne eine Messung an einem Teilchen das andere nicht augenblicklich beeinflussen. Einstein sprach mit unverkennbarem Unbehagen von einer spukhaften Fernwirkung. Für ihn war es undenkbar, dass die Natur auf so tiefer Ebene die vertraute Idee der Lokalität verletzen würde. Die Vorstellung, dass das, was hier geschieht, seine Wirkung hier zeigt und nur allmählich durch Kontakt anderswo. Doch Einstein irrte sich, zumindest in dieser einen Sache. Wir wissen das, weil ein anderer Physiker im Jahr 1964 Eine Beobachtung machte, die auf den ersten Blick wie eine einfache mathematische Übung wirkt. In Wahrheit gehört

8:12 sie zu den tiefsten Einsichten der modernen Wissenschaft. Dieser Physiker war ein stiller, nachdenklicher Mann aus Nordirland namens John Stuart Bell. Bell formulierte eine Ungleichung. Eine Grenze, die jede Theorie respektieren muss, wenn Teilchen ihrer Eigenschaften vor der Messung in sich tragen. und wenn keine augenblickliche Verbindung über Entfernungen hinweg existiert. Sollten Experimente zeigen, dass diese Grenze überschritten wird, so folgerte Bell, dann kann die Welt nicht so sein, wie Einstein sie sich wünschte. Reisende nun zu den Experimenten, die Bells Denken überprüften.

8:52 Wir begeben uns nach Frankreich, an die Universität Paris -Süd, in die frühen 1980er Jahre. Dort baute ein junger Physiker namens Alain, Aspekt mit großer Sorgfalt eine Apparatur. Sie erzeugte verschränkte Photonenpaare und maß ihre Polarisation in weit voneinander entfernten Detektoren. Zwischen 1981 und 1981 gelang es ihm und seinem Team, Bells Ungleichungen mit einer nie zuvor erreichten Präzision zu testen. Das Ergebnis war eindeutig.

9:30 Die von Bell formulierte Grenze wurde verletzt. Die Natur verhält sich nicht so, wie Einstein es sich vorgestellt hatte. Verschränkung ist real. In den folgenden Jahrzehnten verfeinerten Forscher auf der ganzen Welt diese Experimente. Der österreichische Physiker Anton Zeilinger und seine Kollegen in Wien und Innsbruck demonstrierten Verschränkung über immer größere Entfernungen.

9:58 Sie arbeiteten mit immer besseren Methoden und mit immer raffinierteren Aufbauten. Sie schlossen jedes denkbare Schlupfloch, in dem sich klassische Erklärungen noch hätten verstecken können. Sie schlossen sogar jene letzten Lücken, durch die irgendeine alternative Erklärung noch hätte entkommen können. Im Jahr 2022 erhielten Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger gemeinsam den Nobelpreis für Physik. Sie erhielten ihn für ihre bahnbrechende Arbeit zur Verschränkung und für die Begründung des neuen Feldes, das wir heute Quanteninformation nennen. Tauchen wir nun tiefer ein und fragen, was diese Verschränkung eigentlich bedeutet. Es ist wichtig, eine Feinheit zu verstehen, die oft missverstanden wird. Verschränkung

10:52 überträgt keine Nachrichten. Niemand kann verschränkte Teilchen nutzen, um Informationen schneller als das Licht zu senden. Das Ergebnis jeder einzelnen Messung an einem Teilchen ist für sich genommen völlig zufällig. Erst wenn die Messergebnisse beider Teilchen später verdichten werden, wird das tiefe Muster ihrer Korrelation sichtbar.

11:19 Verschränkung widerspricht also nicht der Relativitätstheorie. die Einstein selbst begründet hat. Sie durchbricht nicht die Grenze der Lichtgeschwindigkeit, aber sie durchbricht eine ältere Annahme. Eine, die fast zu selbstverständlich schien, um sie zu hinterfragen. Die Annahme, dass entfernte Dinge in der Welt immer unabhängig voneinander sind.

11:44 Verschränkung zeigt uns, dass die Wirklichkeit auf ihrer tiefsten Ebene nicht aus getrennten Bausteinen besteht, sondern aus Beziehungen. aus einer Art unsichtbarem Gewebe, in dem Teilchen, die einmal verbunden waren, miteinander verwoben bleiben. Der amerikanische Physiker David Bohm sprach von einer impliziten Ordnung, die unter der Oberfläche der Dinge liegt. Stell dir die Oberfläche eines Flusses vor. Wellen und Wirbel erscheinen getrennt, aber unter der Oberfläche sind sie alle Bewegungen desselben Wassers. Bohm vermutete, dass das, was wir als getrennte Teilchen sehen, wie diese Wellen sein könnte. Oberflächenausdrücke einer tieferen, geeinten Wirklichkeit. Andere Denker sehen in der Verschränkung einen Hinweis

12:37 darauf, dass der Raum selbst vielleicht keine grundlegende Eigenschaft der Welt ist. Er könnte etwas sein, das aus einer noch tieferen Schicht hervorgeht. Einige moderne Theorien der Quantenkabitation vermuten sogar, dass die Struktur von Raum und Zeit aus dem Netzwerk der Verschränkung selbst gewoben ist. Treten wir nun weiter hinein in die Labore der Gegenwart. Dort ist Verschränkung nicht mehr nur Gegenstand philosophischer Betrachtung.

13:09 Sie ist zum Werkzeug einer neuen Technologie geworden. Stell dir einen kleinen Raum vor. in dem eine große, sisbrige Apparatur steht, umgeben von Kühlrohren und feinen Kabeln. Im Inneren, gekühlt bis knapp über den absoluten Nullpunkt, liegen winzige Schaltkreise aus supraleitendem Metall. Diese Schaltkreise tragen die Information von Quantenbits oder Qubits. Anders als gewöhnliche Bits in unseren Computern, die nur 0 oder 1 kennen, können Qubits in Superposition existieren. Und sie können miteinander verschränkt werden. Ein Quantencomputer nutzt diese Eigenschaften, um bestimmte Rechenprobleme auflegend zu lösen, die klassischen Maschinen verschlossen bleiben.

13:59 Im Jahr 2019 berichtete ein Team bei Google, dass ihr Prozessor namens Sycamore eine Aufgabe gelöst hatte. Nach einer Setzung hätte ein klassischer Supercomputer für diese Aufgabe 10 .000 Jahre gebraucht. Sycamore schaffte es in etwa drei Minuten. Seitdem wetteifern Forschungsteams in vielen Ländern darum, immer größere verschränkte Zustände auf immer größeren Quantencomputern zu erzeugen und zu kontrollieren. Verschränkung ist hier kein schmückendes Beiwerk. Sie ist die eigentliche Quelle der Rechenleistung. Eine weitere Anwendung, die nun aus dem Labor tritt, ist die Quantenkryptographie. Auch hier reisen wir in Gedanken zu Experimenten mit verschränkten Photonen.

14:49 Zwei entfernte Parteien, etwa eine Bank und ihre Kundin, können Paare verschränkter Teilchen austauschen. Aus Messungen an ihnen können sie einen geheimen Schlüssel ableiten, den niemand unbenerkt abhören kann. Zwischen den Teilchen mitzuhören, würde die empfindliche Struktur ihrer Verschränkung stören und sich sofort verraten. Im Jahr 2020 gelang es dem chinesischen Team um Yanwai -Pan, ein solches Verfahren über mehr als 1100 Kilometer zu testen. Es schickte verschränkte Photonen von einem Satelliten zu zwei weit voneinander entfernten Bodenstationen. Verschränkung hält auch Einzug in die Welt der Messung. Mit Anordnungen verschränkter Atome bauen Forscher heute Atomuhren und Sensoren, die empfindlicher sind, als die

15:43 Naturgesetze es für klassische Geräte erlauben. Der amerikanische Physiker Jun Ye und sein Team entwickelten optische Atomuhren von außergewöhnlicher Genauigkeit. Über die fast 14 Milliarden Jahre seit dem Urknall würden sie nur um Bruchteile einer Sekunde abweichen. Verschränkte Atome machen es möglich, das Quantenrauschen zu unterdrücken, das bei klassischen Messungen unvermerklich ist.

16:17 Das gilt in bestimmten Richtungen. Es eröffnet Wege, Gravitationsfelder, winzige Bewegungen oder die Struktur des Raumes selbst mit beispielloser Präzision zu erforschen. Weiten wir nun unseren Blick und gehen vom Kleinsten zum Größten. Was hat Verschränkung mit dem Kosmos als Ganzem zu tun? Die Antwort ist bemerkenswert. In den frühesten Momenten des Universums, unmittelbar nach dem Urknall, war alles, was heute existiert, in einem winzigen, heißen, dichten Raum vereint. In diesem Zustand entstanden nach den Gesetzen der Quantenphysik unzählige Verschränkungen. Wenn die heutigen kosmologischen Theorien stimmen, dann tragen die Strukturen des Universums noch immer Spuren dieser ursprünglichen Verbindungen. Die Verteilung

17:11 der Galaxien. Das feine Muster der Temperaturschwankungen im Nachglühen des Urknalls, der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung. Wir leben in einem Universum, dessen Geschichte in Verschränkungen geschrieben ist. Noch erstaunlicher wird es, wenn wir zu den schwarzen Löchern heißen. Die britische Physikerin Sabine Hossenfelder, der amerikanische Forscher Leonard Suskind und viele andere haben in den letzten Jahren untersucht, wie sich Information verhält, wenn sie in ein schwarzes Loch fällt und später als schwache Strahlung, als Hawking Strahlung, wieder entkommt. In diesen Überlegungen erscheint Verschränkung immer wieder als zentraler Punkt. Manche Arbeiten legen nahe, dass die innere

18:01 Struktur eines schwarzen Lochs durch ein dichtes Netz aus Verschränkung mit der Außenwelt verbunden ist. Der theoretische Physiker Juan Maldacena und Leonard Suskind schlugen 2013 vor, dass zwei verschränkte Teilchen eine Art winzige, durchquerbare Brücke teilen könnten. Einen sogenannten Wurmlochfaden.

18:27 trägt den klangvollen Namen er gleich Epo. Der Name bezieht sich auf eine frühere Arbeit von Einstein und Rosen über Wurmlöcher und auf die bereits erwähnte Epa -Arbeit. Ob diese Vorstellung die tiefe Wahrheit wirklich erfasst, ist noch lange nicht entschieden. Aber sie zeigt einhugsvoll, wie sehr Raum und Zeit im zeitgenössischen Denken miteinander verschränkt sind. Halten wir nun inne und spüren, was all das bedeuten könnte.

18:56 Wir sind Wesen aus Teilchen. Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und viele andere Elemente, die vor langer Zeit im Inneren vergangener Sterne geschmiedet wurden. Diese Teilchen tragen die lange Geschichte des Universums in sich. Ob verschränkte Zustände einzelner Atome in unseren Körpern über lange Zeiträume fortbestehen, ist umstritten und Gegenstand aktueller Forschung. Manche Wissenschaftler vermuten, dass bestimmte Prozesse in lebenden Zellen Quantenphänomene nutzen. Zum Beispiel die Photosynthese bei manchen Bakterien. Oder im Auge von Vögeln, das während des Vogelzugs das Magnetfeld der Erde wahrnimmt. Forscher wie Thorsten Ritz haben untersucht, wie Quanteneffekte bei der Navigation von Vöbeln wirken könnten.

19:54 Andere gehen weiterhin diesen möglichen Brücken zwischen Quantenphysik und Biologie nach. Doch wie stark diese einzelnen Verbindungen auch sein mögen, eines ist sicher. Wir bestehen aus demselben Stoff wie das funkelnde Muster verschränkter Teich. Wir werden beherrscht von denselben Gesetzen jener Welt, in der Verschränkung möglich ist.

20:18 Lass uns nun langsam zurücktreiben. Aus den fernen Tischen der Quantenwelt. Vorbei an Schaltkreisen und Satelliten. Vorbei am stillen Flüstern des Urknalls. Zurück zu einem kleinen blauen Planeten, der sich langsam im Dunkeln dreht. Dieser Planet ist unsere Erde. Auch sie ist Teil der großen Geschichte, die wir heute erzählt haben. Auch sie ist aus Sternenstaub gewoben. Aber sie trägt in ihren Ozeanen, ihren Wäldern, ihren Tieren und in jeder Pflanze die alten Spuren der Kräfte und Gesetze, die die allerersten Teilchen miteinander verbanden. Denk daran, dass selbe unsichtbare Gewebe, das zwei Photonen über 1000 Kilometer hinweg verbindet, durchzieht auch deinen eigenen Körper. Dieselben Quantenregeln, die den Rand

21:18 eines schwarzen Lochs beherrschen, beherrschen die Atome deiner Hand. Du bist nicht getrennt von dieser Geschichte. Du bist in ihr. Das Universum endet nicht an deiner Haut. Die Verbindungen, die Verschränkung offenbart, sind Verbindungen, aus denen du gemacht bist. Lass die Gedanken an Teilchen und Felder, an Photonen, nun sanft weiterziehen. Sie dürfen bleiben oder gehen, ganz wie du möchtest. Spüre, wie du ruhig und geborgen ruhst, getaden von einer Erde, die ihren Weg seit mehr als viereinhalb Milliarden Jahren geht. Eingebettet in ein Universum voller Wunder und voller Verbindungen, die wir gerade erst zu verstehen beginnen. Du bist Teil dieses großen Gewebes. Und während du nun immer tiefer singst,

22:15 immer weicher, immer stiller, darfst du einfach alles Wissen dieser Weise loslassen. Es ist in dir aufgehoben, so wie die Sterne in der Nacht aufgehoben sind, auch wenn wir sie nicht immer sehen.