Eine besondere quantenmechanische Eigenschaft ist die Verschränkung. Zwei oder mehr Teilchen bezeichnet man als verschränkt, wenn sie nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können. Klassisch ist es ja immer möglich, Eigenschaften von Objekten zu beschreiben, ohne dabei die Eigenschaften anderer Objekte kennen zu müssen. Zwar können Ort und Geschwindigkeit einer Billardkugel von dem vorangegangenen Stoß mit einer anderen Kugel abhängen, nach dem Stoß laufen aber beide Kugeln auf eigene Bahnen, die unabhängig voneinander beschrieben werden können.
In der Quantenphysik ist das anders. Nach einem Stoß - oder allgemeiner: nach einer Wechselwirkung - können sich mehrere Teilchen in einem gemeinsamen Zustand befinden. Dieser Zustand kann zum Beispiel durch eine gemeinsame Wellenfunktion beschrieben werden, bei der die Wahrscheinlichkeit, mit denen eine Eigenschaft des einen Teilchens gemessen wird, von der Messung des anderen Teilchens abhängt. Dabei steht zur Zeit der Trennung der beiden Teilchen jedoch noch nicht fest, in welchem Zustand sich die Teilchen bei der Messung befinden werden. Für jedes einzelne der verschränkten Quantenteilchen ist also der Ausgang einer Messung unbestimmt, während die Korrelation von Begin an feststeht.
Ein Standardexperiment zur Untersuchung von Verschränkungen befasst sich mit verschränkten Photonen. Diese lassen sich erzeugen, indem man einen Kristall verwendet, der die Eigenschaft hat zwei Photonen aus einem erzeugen zu können. Aufgrund von Erhaltungsgesetzen (z.B. Energieerhaltung, Impulserhaltung und Drehimpulserhaltung) sind die beiden entstandenen Photonen nicht unabhängig voneinander. Eine Eigenschaft der Photonen, die verschränkt ist, ist die Polarisation. Jedes der Photonen kann eine beliebige Polarisation haben, aber wenn die Polarisation des einen Photons bekannt ist, dann folgt daraus direkt die Polarisation des anderen Photons. Solch eine Abhängigkeit wird in der Physik als Korrelation bezeichnet.
Das besondere an einer quantenmechanischen Korrelation oder Verschränkung ist nun, dass die Polarisation der einzelnen Photonen zum Zeitpunkt ihrer Entstehung noch gar nicht feststeht. Sie wird erst bei der Messung festgelegt (siehe Kopenhagener Deutung). Es steht aber bereits mit der Erzeugung der Photonen fest, dass die Polarisationen korreliert sind. Dieser scheinbare Widerspruch lässt sich durch eine gemeinsame Wellenfunktion der beiden Photonen mathematisch beschreiben, klassisch erklärbar ist die quantenmechanische Verschränkung jedoch nicht. Sie führt dazu, dass die Quantenmechanik nicht lokal ist, denn die Messung an einem Photon bestimmt mögliche Ausgänge vom Messungen an einem anderen Photon, selbst wenn dieses sehr weit entfernt ist. Es wurde mittlerweile gezeigt, dass die Korrelation von Anfang an da ist und nicht von einem Messort zum anderen übertragen werden muss. Man kann auch zeigen, dass keine Informationsübertragung mit der Verschänkung möglich ist. Lichtgeschwindigkeit bleibt also die größte Geschwindigkeit mit der Information übertragen werden kann.
In letzter Zeit werden einige Anwendungen der Verschränkung aktiv erforscht und diskutiert.
Der Quantencomputer ist ein Computer auf der Basis von Quantenobjekten. Er nutzt mögliche kohärente Überlagerung vieler Zustände in der Quantenwelt und kann damit komplizierte Rechnungen auszuführen. Um mit solch einem Rechner große Zahlen darstellen zu können, müssen die einzelnen Quantenobjekte des Computers miteinander verschränkt sein.
In der Datenübertragung ist man bemüht, abhörsichere Verbindungen herstellen zu können. Hierfür ist Verschränkung hilfreich. Überträgt man nämlich Daten mit Hilfe verschränkter Photonenpaare, so kann keiner eines dieser Photonen abfangen, ohne den empfindlichen verschränkten Zustand zu zerstören. Eine Verbindung dieser Art kann also nicht unbemerkt mitgehört werden. Das Verfahren zur sicheren Datenübertragung funktioniert immer mit einer klassischen Datenübertragung und einem zusätzlichen Übertragungskanal für die verschränkten Zustände. Das Verfahren heißt Quantenkryptographie.
Überlichtschnelle Kommunikation ist mit verschänkten Teilchen aber nicht möglich. Diese interessante Möglichkeit wird in der Science Fiction Literatur gerne verwendet und auch von einigen populären Wissenschaftsdarstellungen erträumt, kann aber leider nicht in die Tat umgesetzt werden. Es wäre auch nicht mit der speziellen Relativitätstheorie kompatibel, nach der Kommunikation schneller als Licht die Abfolge von Ursache und Wirkung durcheinander bringen würde.
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Letzte Änderung: 20.04.2007