Die Kernideen

Quantenzufall. Nichtlokalität, Teleportation und andere Quantenwunder

Nicolas Gisin, 2012

Zwei Kästchen an entgegengesetzten Enden der Stadt stimmen in ihren Antworten öfter überein, als jede vorher ausgedachte Absprache erlauben würde. Dabei kann keines dem anderen auch nur ein Wort übermitteln. Der Physiker Nicolas Gisin, der solche Experimente selbst bei Genf durchführte, erklärt dieses Rätsel mit einem einfachen Spiel und ohne Formeln. Wir untersuchen, was hier durch Experimente belegt ist und was bei der Deutung des Autors bleibt.

Für wen

Für alle, die von der „Quantenverschränkung“ gehört haben und verstehen wollen, was darin gemessen ist, was Deutung ist und was einfach ein großes Wort.

Das Spannendste an der Physik ist nicht die Mathematik, sondern die Ideen.

Worum es in diesem Buch geht

Würfelt Gott? Einstein meinte bekanntlich, nein. Nicolas Gisin beginnt sein Buch mit dieser Frage und stellt seine eigene daneben: Womit spielen eigentlich die Physiker?

Stell dir zwei Kästchen an entgegengesetzten Enden der Stadt vor. Ihre Antworten stimmen öfter überein, als jede vorher ausgedachte Absprache erlauben würde. Dabei liefert jedes Kästchen für sich Antworten, die einem Münzwurf ähneln. Wie ist das möglich? Gisin, Physiker an der Universität Genf, hat solche Experimente selbst durchgeführt und erklärt sie ohne Formeln.

Zunächst eine ehrliche Einordnung. Das Buch hat drei Schichten: was in Experimenten gemessen wurde, wie Gisin selbst es deutet und was offen bleibt. Im Folgenden kennzeichnen wir, welche Schicht jeweils gemeint ist.

Idee 1. Das Bell-Spiel

Gisin erklärt das Wesentliche an einem Spiel. Alice und Bob sitzen weit voneinander entfernt. Jeder hat ein Kästchen mit einem Joystick. Jeder schiebt den Joystick frei nach links oder nach rechts, und auf dem Bildschirm erscheint eine 0 oder eine 1.

Das Team gewinnt eine Runde nach einfachen Regeln. Wenn beide nach rechts geschoben haben, müssen die Antworten verschieden sein. In allen anderen Fällen müssen die Antworten übereinstimmen.

Kann man immer gewinnen? Wenn die Kästchen im Voraus Listen mit fertigen Antworten bekommen, wie Spickzettel, zeigt Gisin, dass man beim Durchgehen aller solchen Strategien nicht öfter als in drei von vier Runden gewinnt. Diese Obergrenze für vorher festgelegte Antworten heißt Bell-Ungleichung.

Zwei Freunde legen in verschiedenen Räumen eine mündliche Prüfung ab und haben sich vorher abgesprochen, wie sie antworten. Welche Absprache sie auch treffen, bei einem der vier Fragetypen versagt sie. Das ist ein Vergleich aus Livria.

Das Spiel verwandelt einen philosophischen Streit in das Zählen von Punkten. Gewinnt jemand regelmäßig mehr als drei Runden von vier, versagt die Erklärung über vorher festgelegte Antworten.

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Über den Autor

Nicolas Gisin ist ein schweizerischer Physiker und Professor an der Universität Genf. Seine Gruppe führte Experimente mit verschränkten Photonen über Entfernungen von mehr als zehn Kilometern durch sowie Versuche zur Quantenteleportation. Er ist Mitbegründer der Firma ID Quantique und erhielt 2009 den John-Stewart-Bell-Preis.

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Begriffe aus dem Buch

  • Bell-Ungleichung: Eine mathematische Obergrenze für Korrelationen, die sich durch vorher festgelegte Antworten erklären lassen. Im Spiel von Gisin sind das höchstens drei Siege von vier. Ihre Verletzung wurde in Experimenten vielfach gemessen.
  • Verschränkung: Eine besondere Verbindung zwischen Quantenteilchen, bei der die Ergebnisse von Messungen an ihnen stärker übereinstimmen können, als es vorher festgelegte Antworten erlauben würden.
  • Nichtlokalität: Eigenschaft von Korrelationen, die weder durch eine gemeinsame, vorher festgelegte Ursache noch durch ein Signal zwischen den Beteiligten erklärt werden können. Sie erlaubt keine Nachrichten schneller als das Licht.
  • echte Zufälligkeit: Zufall, der nach Gisin im Moment der Messung entsteht und sich nicht auf unser Nichtwissen zurückführen lässt. Das ist eine Deutung des Autors und nicht die einzige in der Physik.
  • Teleportation: Die Übertragung eines Quantenzustands eines Teilchens mithilfe eines verschränkten Paares und einer gewöhnlichen Nachricht. Materie wird nicht transportiert, der ursprüngliche Zustand geht verloren.
  • Quantenkryptografie: Ein Verfahren, einen gemeinsamen geheimen Schlüssel zu erzeugen, bei dem ein Abhörversuch bemerkt werden kann. Die Sicherheit realer Systeme hängt auch von der technischen Ausführung ab.

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