Bereits in den 1920er Jahren war die Quantenmechanik, die Theorie, die allem zugrunde liegt, vom Verhalten der Atome bis zum Betrieb von Quantencomputern, auf dem Weg, eine breite Akzeptanz zu finden. Aber ein Rätsel blieb: Manchmal verhalten sich Quantenobjekte wie Elektronen, Atome und Moleküle wie Teilchen, andere wie Wellen. Manchmal verhalten sie sich sogar wie Teilchen und Wellen gleichzeitig. Daher war bei der Untersuchung dieser Quantenobjekte nie klar, welchen Ansatz Wissenschaftler bei ihren Berechnungen verwenden sollten.
Manchmal mussten Wissenschaftler davon ausgehen, dass Quantenobjekte Wellen sind, um das richtige Ergebnis zu erhalten. In anderen Fällen mussten sie davon ausgehen, dass es sich bei den Objekten tatsächlich um Teilchen handelte. Manchmal funktionierte beide Herangehensweise. Aber in anderen Fällen lieferte nur ein Ansatz das richtige Ergebnis, während der andere ein falsches Ergebnis lieferte. Die Geschichte dieses Problems reicht weit zurück, aber jüngste Experimente haben ein neues Licht auf diese alte Frage geworfen.
Quantengeschichte
In dem gleichnamigen Doppelspaltexperiment, das erstmals 1801 von Thomas Young durchgeführt wurde, verhielt sich Licht wie Wellen. Bei diesem Versuch wird ein Laserstrahl auf einen Doppelspalt gerichtet und das resultierende Muster betrachtet. Wenn Licht aus Teilchen bestünde, würde man zwei schlitzförmige Lichtblöcke erwarten. Stattdessen entstehen viele kleine Lichtblöcke, die in einem charakteristischen Muster angeordnet sind. Das Platzieren eines Doppelschlitzes im Wasserstrom würde zu demselben Muster direkt darunter führen. Dieses Experiment führte also zu dem Schluss, dass Licht eine Welle ist.
Dann machte Heinrich Hertz 1881 eine lustige Entdeckung. Als er zwei Elektroden nahm und zwischen ihnen eine ausreichend hohe Spannung anlegte, entstanden Funken. Das ist normal. Aber als Hertz diese Elektroden mit Licht bestrahlte, änderte sich die Funkenspannung. Dies wurde dadurch erklärt, dass das Licht Elektronen aus dem Elektrodenmaterial herausschlug. Aber seltsamerweise änderte sich die maximale Geschwindigkeit der ausgestoßenen Elektronen nicht, wenn sich die Intensität des Lichts änderte, sondern mit der Frequenz des Lichts. Dieses Ergebnis wäre unmöglich, wenn die Wellentheorie wahr wäre. 1905 hatte Albert Einstein eine Lösung: Licht war eigentlich ein Teilchen. All dies war unbefriedigend. Wissenschaftler ziehen eine Theorie, die immer wahr ist, zwei Theorien vor, die manchmal wahr sind. Und wenn eine Theorie nur manchmal wahr ist, dann möchten wir zumindest sagen können, unter welchen Bedingungen sie wahr ist.
Aber genau das war das Problem bei dieser Entdeckung. Physiker wussten nicht, wann sie Licht oder irgendein anderes Objekt als Welle und wann als Teilchen betrachten sollten. Sie wussten, dass einige Dinge ein wellenartiges Verhalten verursachen, wie zum Beispiel die Kanten von Schlitzen. Aber sie hatten keine klare Erklärung dafür, warum dies so ist oder wann sie eine Theorie anwenden sollten.
Dieses Rätsel heißt Korpuskularwellen-Dualismus, ist noch erhalten. Aber eine neue Studie könnte etwas Licht in die Situation bringen. Wissenschaftler des Korea Institute of Basic Sciences haben gezeigt, dass die Eigenschaften der Lichtquelle beeinflussen, wie sehr es sich um ein Teilchen und wie viel um eine Welle handelt. Mit einem neuen Ansatz zur Untersuchung dieses Problems haben sie einen Weg geebnet, der sogar zu Verbesserungen im Quantencomputing führen kann. Oder solche Hoffnungen.
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Wie man Teilchen und Wellen erzeugt
Im Experiment nutzten die Wissenschaftler einen halbdurchlässigen Spiegel, um den Laserstrahl in zwei Teile zu teilen. Jeder dieser Strahlen trifft auf den Kristall, der wiederum zwei Photonen erzeugt. Insgesamt werden vier Photonen emittiert, zwei von jedem Kristall.
Die Wissenschaftler schickten von jedem Kristall ein Photon in das Interferometer. Dieses Gerät kombiniert zwei Lichtquellen und erzeugt ein Interferenzmuster. Dieses Muster wurde erstmals von Thomas Young in seinem oben erwähnten Zweispaltexperiment entdeckt. Das sieht man auch, wenn man zwei Steine in einen Teich wirft: Wasserwellen, von denen sich einige gegenseitig verstärken und andere aufheben. Mit anderen Worten, das Interferometer erfasst die Wellennatur von Licht.
Die Bahnen der anderen beiden Photonen wurden verwendet, um ihre korpuskulären Eigenschaften zu bestimmen. Obwohl die Autoren der Veröffentlichung nicht genau angegeben haben, wie sie dies taten, geschieht dies normalerweise, indem ein Photon durch ein Material geleitet wird, das zeigt, wohin das Photon gegangen ist. Sie können beispielsweise ein Photon durch ein Gas schießen, das sich dann dort entzündet, wo das Photon vorbeigekommen ist. Indem man sich eher auf die Flugbahn als auf das endgültige Ziel konzentriert, kann das Photon eine Welle sein. Denn wenn man den genauen Ort des Photons zu jedem Zeitpunkt misst, dann ist es punktförmig und kann sich selbst nicht treffen.
Dies ist eines von vielen Beispielen in der Quantenphysik, wo eine Messung das Ergebnis dieser Messung aktiv beeinflusst. Daher fehlte in diesem Teil des Experiments das Interferenzmuster am Ende der Photonenbahn. So fanden die Forscher heraus, wie ein Photon ein Teilchen sein kann. Die Herausforderung bestand nun darin, zu quantifizieren, wie viel davon ein Teilchen war und wie viel von der Wellennatur übrig blieb.
Da beide Photonen desselben Kristalls gemeinsam erzeugt werden, bilden sie einen einzigen Quantenzustand. Das bedeutet, dass es möglich ist, eine mathematische Formel zu finden, die diese beiden Photonen gleichzeitig beschreibt. Wenn Forscher also quantifizieren können, wie stark die „Partialität“ und „Wellenlänge“ zweier Photonen sind, kann diese Quantifizierung auf den gesamten Strahl angewendet werden, der den Kristall erreicht.
Tatsächlich gelang es den Forschern. Sie maßen, wie wellig das Photon war, indem sie die Sichtbarkeit des Interferenzmusters überprüften. Bei hoher Sichtbarkeit war das Photon sehr wellenförmig. Als das Muster kaum sichtbar war, schlossen sie, dass das Photon einem Teilchen sehr ähnlich sein muss.
Und diese Sichtbarkeit war zufällig. Sie war am höchsten, wenn beide Kristalle die gleiche Intensität des Laserstrahls erhielten. Wenn jedoch der Strahl von einem Kristall viel intensiver war als der andere, wurde die Sichtbarkeit des Musters sehr schwach und die Photonen sahen eher wie Teilchen aus.
Dieses Ergebnis ist überraschend, da Licht in den meisten Experimenten nur in Form von Wellen oder Teilchen gemessen wird. Heute wurden in mehreren Experimenten beide Parameter gleichzeitig gemessen. So lässt sich leicht bestimmen, wie viel von jeder Eigenschaft eine Lichtquelle hat.
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Theoretische Physiker sind begeistert
Dieses Ergebnis entspricht der Vorhersage, die früher von Theoretikern gemacht wurde. Wie wellenförmig und korpuskular ein Quantenobjekt ist, hängt ihrer Theorie zufolge von der Reinheit der Quelle ab. Reinheit ist in diesem Zusammenhang nur eine ausgefallene Art, die Wahrscheinlichkeit auszudrücken, dass eine bestimmte kristalline Quelle das Licht aussendet. Die Formel lautet wie folgt: V2 + P2 = µ2, wobei V die Sichtbarkeit des Richtmusters, P die Sichtbarkeit des Pfads und µ die Reinheit der Quelle ist.
Dies bedeutet, dass ein Quantenobjekt wie Licht bis zu einem gewissen Grad wellenartig und bis zu einem gewissen Grad teilchenartig sein kann, aber dies ist durch die Reinheit der Quelle begrenzt. Ein Quantenobjekt ist wellenförmig, wenn ein Interferenzmuster sichtbar ist oder wenn der Wert von V ungleich Null ist. Außerdem ist es teilchenartig, wenn der Pfad beobachtbar ist oder wenn P nicht Null ist.
Eine weitere Folge dieser Vorhersage ist, dass die Reinheit darin besteht, dass die Reinheit niedrig ist, wenn die Verschränkung des Quantenpfads hoch ist, und umgekehrt. Die Wissenschaftler, die das Experiment durchgeführt haben, haben dies in ihrer Arbeit mathematisch gezeigt. Durch die Abstimmung der Reinheit der Kristalle und die Messung der Ergebnisse konnten sie zeigen, dass diese theoretischen Vorhersagen tatsächlich richtig waren.
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Schnellere Quantencomputer?
Besonders interessant ist der Zusammenhang zwischen der Verschränkung eines Quantenobjekts und seiner Korpuskularität und Welligkeit. Die Quantengeräte, die das Quanteninternet antreiben könnten, basieren auf Verschränkung. Das Quanteninternet ist eine Quantenanalogie dessen, was das Internet für klassische Computer ist. Indem sie viele Quantencomputer miteinander verbinden und ihnen ermöglichen, Daten auszutauschen, hoffen Wissenschaftler, mehr Leistung zu gewinnen, als mit einem einzelnen Quantencomputer erreicht werden könnte.
Aber anstatt Bits über eine Glasfaser zu senden, was wir tun, um das klassische Internet mit Strom zu versorgen, müssen wir Qubits verschränken, um das Quanteninternet zu bilden. Indem wir die Verschränkung eines Teilchens und die Welligkeit eines Photons messen können, können wir einfachere Wege finden, um die Qualität des Quanteninternets zu kontrollieren.
Darüber hinaus können Quantencomputer selbst durch den Teilchen-Wellen-Dualismus besser werden. Laut dem Vorschlag von Forschern der chinesischen Tsinghua-Universität ist es möglich, einen kleinen Quantencomputer durch ein Mehrfachschlitzgitter zu führen, um seine Leistung zu erhöhen. Ein kleiner Quantencomputer würde aus wenigen Atomen bestehen, die selbst als Qubits verwendet werden, und solche Geräte gibt es bereits.
Diese Atome durch ein Gitter mit mehreren Schlitzen zu leiten ist sehr ähnlich wie Licht durch einen Doppelspalt zu leiten, obwohl es natürlich etwas komplizierter ist. Dadurch werden mehr mögliche Quantenzustände geschaffen, was wiederum die Leistung des "gefeuerten" Computers erhöht. Die Mathematik dahinter ist zu kompliziert, um sie in diesem Artikel zu erklären, aber das wichtige Ergebnis ist, dass ein solcher Zwei-Quanten-Computer besser parallel rechnen kann als herkömmliche Quantencomputer. Paralleles Rechnen ist auch im klassischen Rechnen üblich und bezieht sich im Grunde auf die Fähigkeit eines Computers, mehrere Berechnungen gleichzeitig durchzuführen, wodurch er insgesamt schneller wird.
Während es sich also um sehr grundlegende Forschung handelt, zeichnen sich bereits mögliche Anwendungen ab. Im Moment ist es unmöglich zu beweisen, aber diese Entdeckungen könnten Quantencomputer beschleunigen und die Entstehung des Quanteninternets etwas beschleunigen.
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Sehr grundlegend, aber sehr interessant
All dies sollte mit großer Skepsis betrachtet werden. Die Forschung ist solide, aber auch sehr grundlegend. Wie in Wissenschaft und Technik üblich, ist es ein weiter Weg von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung in der Praxis.
Aber Forscher aus Korea entdeckten eine sehr interessante Sache: Das Mysterium des Teilchen-Wellen-Dualismus wird so schnell nicht verschwinden. Im Gegenteil, es scheint in allen Quantenobjekten so tief verwurzelt zu sein, dass es besser ist, es zu nutzen. Mit der neuen quantitativen Grundlage in Bezug auf die Reinheit der Quelle wird dies einfacher zu bewerkstelligen sein.
Einer der ersten Anwendungsfälle könnte im Quantencomputing auftreten. Wie Wissenschaftler gezeigt haben, hängen Quantenverschränkung und Teilchen-Wellen-Dualismus zusammen. Anstelle der Verschränkung konnte somit das Ausmaß der Welligkeit und Korpuskularität gemessen werden. Dies könnte Wissenschaftlern helfen, die an der Schaffung eines Quanteninternets arbeiten. Oder Sie können verwenden Dualität Quantencomputer zu verbessern und schneller zu machen. Wie auch immer, es sieht so aus, als ob aufregende Quantenzeiten gleich um die Ecke stehen.
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Danke für den Artikel! "Mögliche Programme zeichnen sich bereits ab" - wohl keine Programme, sondern Anwendungen?
Danke, sehr interessant. Mehr solcher Artikel.
Vielen Dank! Wir werden es versuchen ;)