Quantenverschränkung – Wenn zwei Teilchen dasselbe Schicksal teilen

0:00 Herzlich Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Heute begeben wir uns gemeinsam auf eine Reise in eine seltsame und zugleich faszinierende Ecke der Wirklichkeit, eine Reise in eine Welt, in der die vertrauten Regeln unseres Alltags ihre Gültigkeit verlieren.

0:21 Wo Entfernungen keine Rolle mehr zu spielen scheinen, wo 2 Teilchen so winzig, dass wir sie niemals mit grob bloßem Auge sehen könnten, auf eine Weise miteinander verbunden sind, die selbst die größten Denkerinnen des letzten Jahrhunderts in Staunen versetzt hat. Wir reisen zur Quantenverschränkung, stell dir vor, du Schrumpfst nicht ein bisschen, sondern unvorstellbar weit, kleiner als ein Sandkorn, kleiner als eine Zelle. Noch kleiner als ein Molekül, kleiner als ein einzelnes Atom. Du Gleitest vorbei an den Elektronen, die in einem Atom in stummen Bahnen kreisen, tauchst hinein in den Atomkern und noch tiefer, bis du dich in einer Welt wiederfindest, in der die Begriffe von Ort, Zeit, von hier

1:09 und dort, von vorher und nachher ihre scharfen Konturen verlieren. Jetzt sind wir in der Welt der Quantenphysik. In dieser Welt verhalten sich Dinge nicht wie Murmeln auf einem Tisch. Hier ist ein Teilchen nicht einfach an einem Ort, sondern gleichsam an vielen Orten zugleich. Hier besitzt ein Teilchen seine Eigenschaften nicht im Voraus, so wie ein Apfel rot und rund ist, bevor ihn jemand betrachtet. In der Quantenwelt entstehen manche Eigenschaften erst in dem Moment, in dem sie gemessen werden, vorher schwebt das Teilchen in einer Art möglichkeitsnebel. In dem mehrere Zustände gleichzeitig wahr sind. Die Physikerinnen nennen diesen Zustand superposition. Nun stell dir 2 solche Teilchen

1:56 vor, 2 winzige Lichtteilchen, 2 sogenannte Photonen sie entstehen gemeinsam in einem besonderen Kristall, zum Beispiel einem Barium Borat Kristall, in dem ein Laserstrahl so gebrochen wird, dass aus einem einzelnen energiereichen Photon 2 Tochterphotonen entstehen. Dieser Vorgang trägt den sperrigen Namen spontane Parametrische Abwärtskonversion. Doch was dort geschieht, ist wundersam. Die beiden neugeborenen Photonen sind nicht 2 voneinander unabhängige Geschwister, sie sind, so sagen es die Gleichungen der Quantenmechanik, ein einziges Ganzes, ein gemeinsames Wesen, beschrieben durch eine einzige Wellenfunktion.

2:42 Diese tiefe Verbindung nennen wir Verschränkung. Lass uns einen dieser Zwillinge in Gedanken mitnehmen. Wir legen ihn behutsam in eine Glasfaser und schicken ihn auf die Reise. Er rast durch ein dünnes Kabel hinaus aus dem Labor über Felder, Flüsse und über ganze Kontinente hinweg, das zweite Photon bleibt bei uns.

3:03 Wir halten es bei uns, während sein verschränkter Partner weiter und weiter entfernt wird. 100 Meter 1000 Meter 1000 Kilometer in einem berühmten Experiment, das chinesische Wissenschaftler innen um den Physiker Jian Wei Pan im Jahr 2017 durchführten, wurden verschränkte Photonen mit Hilfe des Satelliten Mikujus über eine Entfernung von mehr als 1200 Kilometern ausgetauscht. Zwischen 2 Bodenstationen tief in den Bergen Chinas die Verbindung blieb bestehen.

3:37 Nun geschieht etwas, das unsere Vorstellungskraft doch etwas herausfordert. Wir messen eine bestimmte Eigenschaft an unserem Photon, etwa seine Polarisation, also die Richtung, in der seine Lichtwelle schwingt, bevor wir messen, ist diese Richtung nicht festgelegt, das Photon trägt sie nicht wie eine verborgene Eigenschaft in sich.

3:58 In dem Augenblick aber, in dem wir messen, nimmt es einen bestimmten Wert an und im selben Moment, so zeigen es unzählige Experimente, nimmt auch sein ferner Zwilling einen bestimmten, dazu passenden Wert an, obwohl er eben weit weg ist. Obwohl zwischen den beiden keine Botschaft hin und hergeschickt wurde, obwohl selbst ein Lichtsignal die Strecke nicht schnell genug zurücklegen könnte.

4:22 Und wir wissen, Lichtgeschwindigkeit ist das Schnellste, was im Universum möglich ist. Aber. Selbst dafür würde die Zeit nicht reichen. Albert Einstein, einer der größten Physiker der Geschichte, fühlte sich durch dieses Verhalten zutiefst beunruhigt. Gemeinsam mit seinen Kollegen Boris Podolski und Nathan Rosen veröffentlichte er im Jahr 1935 einen berühmten Aufsatz, der heute nur noch unter den 3 Buchstaben EPR bekannt ist. Darin versuchen die 3 zu zeigen, dass die Quantenmechanik unvollständig sein müsse.

4:57 Denn wenn 2 Teilchen so weit voneinander entfernt sein könnten, ohne Miteinander in Kontakt zu stehen, dann könne es doch nicht sein. Sogar argumentierten sie, dass eine Messung am einen Teilchen das andere augenblicklich beeinflusse. Einstein sprach voller Unbehagen von einer spukhaften Fernwirkung, für ihn war es denkbar, dass die Natur auf einer so tiefen Ebene mit der vertrauten Idee des Lokalen bricht.

5:24 Mit der Vorstellung also, dass nur das, was hier geschieht, auch hier Wirkung zeigt. Doch Einstein irrte wenigstens in diesem einen Punkt. Wir wissen, dass heute, weil ein anderer Physiker, ein ruhiger, nachdenklicher Nordire namens John Stewart Bell im Jahr 1964 eine Überlegung anstellte, die auf den ersten Blick wie eine einfache mathematische Spielerei wirkt, in Wahrheit aber zu den tiefsten Einsichten der modernen Naturwissenschaft gehört. Bell formulierte eine Ungleichung, eine Grenze, die von jeder Theorie eingehalten werden müsste, in der die Teilchen ihre Eigenschaften schon vor der Messung in sich tragen und keine augenblickliche Verbindung über weite Strecken existiert sollten Experimente

6:10 zeigen, dass diese Grenze überschritten wird, so folgerte Bell, dann könne die Welt nicht so sein, wie Einstein sie sich wünschte. Lass uns nun zu diesen Experimenten reisen, die Bells Gedanken auf die Probe stellten. Wir schweben hinüber nach Frankreich zur Universität Paris Süd, in die frühen 80er Jahre des 20.

6:30 Jahrhunderts. Dort arbeitete ein junger Physiker namens Lane Aspect mit großer Sorgfalt baut er eine Apparatur auf, die verschränkte Photonenpaare erzeugt und ihre Polarisation in weit voneinander entfernten Detektoren misst. Die. Zwischen 1981 und 82 gelingt es ihm und seinem Team, Bells Ungleichung mit bis dahin unerreichter Präzision zu testen.

6:57 Das Ergebnis ist eindeutig die Grenze, die Bell formuliert hat, wird verletzt, die Natur verhält sich nicht so, wie Einstein es sich vorgestellt hatte, die Verschränkung ist wirklich in den folgenden Jahrzehnten verfeinerten Forscherinnen auf der ganzen Welt diese Experimente. Der österreichische Physiker Anton Zeilinger und seine Mitarbeiterinnen in Wien und Innsbruck zeigten die Verschränkung über immer größere Entfernungen mit immer besseren Messmethoden, mit immer raffinierteren Schleifen, um jede denkbare Hintertür zu schließen.

7:32 Sie schlossen auch jene letzten Schlupflöcher, in denen sich klassische Erklärungen vielleicht noch hätten verstecken können. Im Jahr 2022 erhielten Alan Aspect, John Clawser und Anton Zeilinger gemeinsam den Nobelpreis für Physik für ihre bahnbrechenden Arbeiten zur Verschränkung und für die Begründung einer neuen Forschungsrichtung, die wir heute Quanteninformationen nennen. Lass dich nun wieder tiefer sinken, während wir weiterreisen und fragen, was bedeutet diese Verschränkung eigentlich? Es ist wichtig, hier eine Feinheit zu verstehen, die oft missverstanden wird.

8:09 Durch die Verschränkung wird keine Botschaft übertragen, niemand kann über verschränkte Teilchen eine Nachricht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit verschicken, denn das Ergebnis jeder einzelnen Messung an einem Teilchen ist für sich genommen vollkommen zufällig. Erst wenn die Messergebnisse der beiden Teilchen später verglichen werden, zeigt sich das tiefe Muster ihrer Korrelation, die Verschränkung trotzt also nicht der Relativitätstheorie, die Einstein selbst begründet hat.

8:38 Sie bricht nicht die Grenze der Lichtgeschwindigkeit, sie bricht aber eine noch ältere Annahme, nämlich die, dass entfernte Dinge in der Welt immer voneinander unabhängig sind. Die 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 miteinander verbunden waren.

9:06 Der amerikanische Physiker David Bohm sprach von einer impliziten Ordnung, die unter der Oberfläche der Dinge liegt. Andere Denkerinnen sehen in der Verschränkung den Hinweis, dass Raum selbst vielleicht kein ursprüngliches Merkmal der Welt ist, sondern etwas, das aus einer noch tieferen Schicht hervorgeht. Manche modernen Theorien der Quantengravitation vermuten sogar, dass die Struktur von Raum und Zeit aus dem Netzwerk der Verschränkung gewebt ist.

9:35 Schweben wir nun weiter hinein in die Labore der Gegenwart, in denen die Verschränkung nicht mehr nur Gegenstand philosophischer Grübelei ist, sondern zum Werkzeug einer neuen Technologie wird. Stell dir einen kleinen Raum vor, in dem eine große, silbrige Apparatur hängt, umgeben von kühlrohren und feinen Kabeln, im Innern heruntergekühlt bis knapp über den absoluten Nullpunkt liegen winzige Schaltkreise aus supraleitendem Metall. Diese Schaltkreise tragen die Informationen von Quantenbits, kurz quips.

10:11 Anders als die gewöhnlichen Bits in unser Computer, die nur die Werte 0 oder 1 scannen, können Quips in Superposition sein, und sie können miteinander verschränkt werden. Ein Quantencomputer nutzt diese Eigenschaft, um bestimmte Rechenaufgaben auf eine Weise zu lösen, die klassische Maschinen verschlossen bleibt im Jahr 2019 berichtete ein Team um die Firma Google, die. Dass es mit einem Prozessor namens Secamore eine Aufgabe gelöst hat, für die sie selbst die schnellsten klassischen Supercomputer einer unvorstellbar langen Zeit gebraucht hätten.

10:46 Seither wetteifern Forschungsteams in vielen Ländern auf immer größeren Quantencomputern. Immer größere Zustände zu erzeugen und zu kontrollieren. Die Verschränkung ist dabei nicht nur eine hübsche Zierde, sondern die eigentliche Quelle der Rechenkante. Eine weitere Anwendung, die heute schon den Schritt aus dem Labor Hinauswagt, ist die sogenannte Quantenkryptographie.

11:08 Auch hier reisen wir wieder in Gedanken zu den Experimenten mit verschränkten Photonen. 2 weit entfernte Parteien, etwa eine Bank und ihre Kundinnen, können Paare verschränkter Teilchen austauschen und aus den Messungen an Ihnen einen geheimen Schlüssel ableiten, den niemand unbemerkt abhören kann.

11:28 Jeder Versuch, zwischen den Teilchen zu lauschen, würde die feine Struktur ihrer Verschränkung stören und ebenso auffallen. Im Jahr 2020 gelang es dem chinesischen Team um Jian Wei Pan, ein solches Verfahren über mehr als 1100 Kilometer hinweg auf die Probe zu stellen, indem verschränkte Photonen von einem Satelliten zu 2 weit getrennten Bodenstationen geschickt wurden, auch in der Welt der Messung hält die Verschränkung Einzug. Mit Hilfe von ganzer Reihen verschränkter Atome bauen Forscher innen heute Atomuhren und Sensoren, die empfindlicher sind, als es die Naturgesetze für klassische Geräte erlauben. Der amerikanische Physiker Yunni und sein Team entwickelten optische Atomuhren, die so genau

12:15 sind, dass sie in der Zeit seit dem Ohrknall, also über fast 14 Milliarden Jahre, nur um Bruchteile einer Sekunde abweichen würden. Verschränkte Atome machen es möglich, das sogenannte Quantenrauschen, das bei klassischen Messungen unvermeidlich ist, in bestimmten Richtungen zu unterdrücken. So werden Wegefrei Gravitationsfelder, winzige Bewegungen oder die Struktur des Raumes selbst mit nie dagewesener Feinheit zu erkunden. Lass uns nun den Blick weiten und von den kleinsten Dingen zu den größten übergehen.

12:48 Was hat die Verschränkung mit dem ganzen Kosmos eigentlich zu tun? Die Antwort ist erstaunlich. In den frühesten Augenblicken 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 zahllose Verschränkungen, wenn heutige kosmologische Theorien zutreffen, dann tragen die Strukturen des Universums die Verteilung der Galaxien. Das feine Muster der Temperaturschwankungen im Nachglühen des Urknalls, also dem sogenannten kosmischen Mikrowellenhintergrund, noch immer die Spuren dieser ursprünglichen Verbindungen.

13:29 Wir leben in einem Universum, dessen Geschichte in Verschränkungen geschrieben ist. Noch verblüffender wird es, wenn wir zu den schwarzen Löchern reisen. Die britische Physikerin Sabine Hossenfelder. Der amerikanische Forscher Leonard Süsskind 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 die sogenannte Hawking Strahlung, wieder entweicht. In diesen Überlegungen taucht die Verschränkung immer wieder als zentraler Punkt auf, manche Arbeiten legen nahe, dass die innere Struktur eines schwarzen Lochs mit der Außenwelt durch ein dichtes Netz von Verschränkungen verknüpft ist. Der theoretische Physiker Giuan

14:15 Maldekaner und Leonard Süskind brachten im Jahr 2013 die Vermutung ins Spiel, dass 2 verschränkte Teilchen gleichsam eine winzige, nicht begehbare Brücke, einen sogenannten Wurmlochfaden, miteinander in Verbindung haben. Diese Idee trägt den klangvollen Namen ERE Pr. Nach einem älteren Aufsatz Einsteins und Rosens über Wurmlöcher und nach dem schon erwähnten EPR Aufsatz, ob diese Vorstellung wirklich die tiefe Wahrheit trifft, ist noch lange nicht entschieden. Doch sie zeigt eindrücklich, wie sehr verschränkungen Raum und Zeit heute miteinander verwoben gedacht werden. Lass uns nun einen Augenblick innehalten und spüren, was das alles bedeuten könnte.

15:03 Wir sind Wesen, die aus Teilchen bestehen, aus Kohlenstoff, aus Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und vielen anderen Elementen, die einst im Innern längst vergangener Sterne geschmiedet wurden. Diese Teilchen tragen die lange Geschichte des Universums in sich, ob in unseren Körpern noch verschränkte Zustände einzelner Atome über lange Zeiträume erhalten bleiben, ist Umschritten und Gegenstand aktueller Forschung. Manche Wissenschaftlerinnen vermuten, dass bestimmte Vorgänge in lebendigen Zellen, etwa die Photosynthese mancher Bakterien oder im Vogelauge, das während des Zuges das Erdmagnetfeld wahrnimmt, Quantenphänomene benutzen. Die englische Forscherin Sarah Jenkins und viele andere arbeiten daran, diese möglichen

15:50 Brücken zwischen Quantenphysik und Biologie zu verstehen, doch ganz gleich, wie stark diese Verbindungen im Einzelnen sind, 1 ist gewiss. Die Bausteine, aus denen wir bestehen, folgenden Gesetzen jener Welt, in der die Verschränkung möglich ist. Wir sind aus dem gleichen Stoff gemacht wie das funkelnde Muster verschränkter Teilchen.

16:11 Schweben wir nun langsam wieder zurück aus den fernen Tiefen der Quantenwelt, vorbei an Schaltkreisen und Satelliten, vorbei am leisen, rauschendes Urknalls, zurück zu einem kleinen blauen Planeten, der durch die schier endlose Weite des Raumes zieht. Dieser Planet ist unsere Erde. Auch er ist Teil der großen Geschichte, die wir heute erzählt haben. Auch er ist aus Sternenstaub gewebt, aber er trägt in seinen Meeren, seinen Wäldern, seinen Tieren und in jeder Pflanze die uralten Spuren der Kräfte und Gesetze, die schon die allerersten Teilchen miteinander verbunden, kein noch so kluger Quantencomputer, kein noch so präzises Experiment, keine noch so ferne Galaxie.

16:52 Kann uns ersetzen, was dieser Planet uns jeden Tag aufs Neue schenkt, sowie die Verschränkung uns zeigt, dass Teilchen in einem tiefen Sinn miteinander verbunden bleiben, so sind wir auch alle mit unserer Erde und mit allem, was auf ihr lebt, auf unauflösliche Weise verwoben. Jeder Atemzug, jeder Schluck Wasser, jeder Sonnenstrahl, der uns färmt, erinnert uns daran, es ist eben auch an uns, diesen einen Planeten, der uns trägt, mit Achtsamkeit zu behüten. Damit auch die kommenden Generationen unter dem gleichen Sternenhimmel einschlafen können, von dem wir heute erzählen und gleichzeitig weiter forschen können. Lass uns nun Gedanken an Teilchen und Felder an Photonen sanft weiterziehen, sie dürfen

17:36 bleiben oder gehen, ganz wie sie möchte, spüre, wie du ruhig und geborgen ruhst, getragen von einer Erde, die seit mehr als viereinhalb Milliarden Jahre ihre Bahnen zieht. Eingebettet in ein Universum, das voller Wunder ist und voller Verbindungen, die wir gerade erst zu verstehen beginnen. Du bist ein Teil dieses großen Gewebes und während du nun immer tiefer sinkst, immer weicher wirst, immer stiller, darfst du all das Wissen dieser Reise einfach loslassen.

18:04 Es ist im Jahr aufgehoben, so wie die Sterne in der Nacht aufgehoben sind, auch wenn wir sie nicht immer sehen, Schlaf gut und bis zur nächsten Folge.