Quanten und Stehlampen

Hintergrundwissen: So funktioniert das Prinzip der Quanten-Verschränkung

Wie andere Teilchen auch, haben Elektronen eine Eigenschaft, die „Spin“ genannt wird. Dieser spielt in unserem Alltagsleben keine Rolle, aber es ist möglich, den Spin eines Teilchens zu berechnen und zu messen. Wichtig ist: Der Spin des Teilchens kann zwei Zustände annehmen, sie werden „Spin up“ und „Spin down“ genannt. Wenn ein Spin gemessen wird, erhält man immer eines dieser beiden Ergebnisse, einen Wert dazwischen beobachtet man nie. In diesem Punkt verhält sich das Elektron genau wie eine Lampe, die entweder an oder aus, jedoch niemals halb-an sein kann. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Elektronen und Stehlampen ist: Wenn man die Tür schließt, und nicht mehr nachsieht, bleibt die Lampe an oder aus, unabhängig vom Beobachter. Bei Quantenteilchen ist das komplizierter.

Wenn niemand hinsieht ...

Wenn aber der Spin gerade nicht gemessen wird, kann das Elektron einen Überlagerungszustand aus „Spin up“ und „Spin down“ annehmen. Es besetzt gewissermaßen beide Zustände zur selben Zeit, so als wäre die Lampe gleichzeitig ein bisschen an und ein bisschen aus, wenn man gerade nicht nachsieht. Erst wenn der Spin des Teilchens gemessen wird, legt sich sein Zustand wieder auf „Spin up“ oder „Spin down“ fest.

Verschränkte Elektronen

Zwei Elektronen kann man so präparieren, dass sie immer entgegen gesetzte Spin-Zustände haben. Wird beim ersten Elektron den Zustand „Spin up“ gemessen, weiß man, dass das andere den Zustand „Spin down“ haben muss, und umgekehrt. Die Elektronen sind dann nicht mehr getrennt voneinander zu betrachten, sie gehören fest zusammen. Die Elektronen sind dann „verschränkt“. Auch die verschränkten Elektronen können in einem überlagerten Zustand sein. Beide verschränkten Teilchen haben dann einen Spin, der nicht genau „Spin up“ oder „Spin down“, sondern eine Überlagerung dieser beiden Möglichkeiten ist.

Die Messung legt den Zustand fest

Wird nun der Spin des ersten Elektrons gemessen und das Ergebnis legt das Elektron auf „Spin up“ fest, dann wird damit gleichzeitig auch der Spin des zweiten Elektrons fixiert: Weil die beiden verschränkt sind, steht fest: Wenn das erste Elektron „Spin up“ hat, muss das zweite Elektron „Spin down“ haben. Durch die Messung an einem Elektron wird also auch das zweite Elektron beeinflusst, und zwar sofort, ohne Zeitverzögerung, und ohne dass eine Nachricht von einem Teilchen zum anderen gelangen würde. Eine Nachricht könnte sich ja höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Das funktioniert auch, wenn die beiden Teilchen weit voneinander entfernt sind. Es besteht eine Verbindung zwischen den beiden Teilchen, auch wenn keine Kraft zwischen ihnen wirkt.

Einsteins Paradoxon

Dieses merkwürdige Phänomen wurde bereits 1935 von Albert Einstein beschrieben. Es wurde als das „Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon“ bekannt. Einstein war der Meinung, dass es keine „Fernwirkung“ zwischen Teilchen geben könne. Mittlerweile wurden solche Phänomene aber in vielen Experimenten nachgewiesen. Heute weiß man: Einsteins „Fernwirkung“ gibt es wirklich. Für viele Physiker gehört die Quantenverschränkung mittlerweile zum täglichen Handwerkszeug. Bei Theorien über mögliche Quantencomputer, die in Zukunft vielleicht eine wichtige Rolle spielen könnten, ist diese Art der Verschränkung entscheidend.

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