Erst in der Verschränktheit zeigt sich der Meister

News: Erst in der Verschränktheit zeigt sich der Meister

Daß die Intuition des Alltagsverstandes von der Quantenmechanik oft böse in die Irre geführt wird, beklagen seit deren Entwicklung selbst die Physiker. Als wären es der Schwierigkeiten nicht schon genug, eröffnet die Aussicht auf einen Quantencomputer heutzutage neue Fragen, die aus der Einbeziehung einer weiteren wichtigen Theorie erwachsen: der Informationstheorie. Physiker haben nun festgestellt, daß es alles andere als gleichgültig ist, ob man Informationen mit parallelen oder mit antiparallelen Spins überträgt. Die dabei wichtige Verschränktheit von Zuständen entzieht sich wieder einmal mehr den gewohnten klassischen Vorstellungen.

Quantenmechanische Information unterscheidet sich von klassischer Information, denn sie läßt sich gewissermaßen überlagern, so daß ein Quantencomputer – wenn es ihn denn gäbe – eine gigantische Parallelrechenkapazität entfalten könnte. Bestimmte Rechnungen, die bislang in Computern üblicher Bauart wahrhaft kosmische Zeitspannen benötigen würden, wären dann nur noch eine Sache von Sekunden. Nicolas Gisin von der Universität Genf und Sandu Popescu vom Isaac Newton Institute der University of Cambridge berichten in den Physical Review Letters vom 12. Juli 1999 über ihre Untersuchung der Informationsübertragung mit verschiedenen Spin-Zuständen.

Der Spin ist eine Eigenschaft atomarer und subatomarer Teilchen, die meist als eine Art innerer Drehimpuls beschrieben wird und ein besonders einfaches Quantensystem darstellt. Für die sogenannten Fermionen (zum Beispiel das Elektron) kann der Spin nur zwei Werte einnehmen: 1/2 und -1/2, die analog zu den Werten von "0" und "1" einer klassischen, binären Information angesehen werden können. Der Vorteil der Quanteninformation besteht nun darin, daß sich auch überlagerte Zustände herstellen und verwenden lassen. "0" und "1" können beim sogenannten Qubit (von quantum bit) somit gleichzeitig bearbeitet werden, beim herkömmlichen Bit hat man es dagegen immer nur entweder mit "1" oder "0" zu tun.

Gisin und Popescu betrachten nun den einfachen Fall der Informationsübertragung mit Spins. Alice (der Sender) möchte eine Richtung an Bob (den Empfänger) übermitteln, damit dieser weiß, in welcher Richtung er sie finden kann. Dafür könnte Alice einen einzelnen Spin in die entsprechende Richtung ausrichten und an Bob senden. Der mißt den Spin und kann damit im Rahmen der quantenmechanisch begrenzten Genauigkeit feststellen, um welche Richtung es sich handelt. Alice könnte den Spin auch in die entgegengesetzte Richtung ausrichten. Bob müßte dann ebenfalls den Spin messen, das Meßergerät aber zusätzlich noch umdrehen. Beide Strategien sind offensichtlich gleich gut.

Schwieriger wird die Sache, wenn man mit Zwei-Spin-Zuständen arbeitet: einmal mit paralellen und das andere Mal mit antiparallelen Spins. Aufgrund der vorherigen Überlegungen müßten auch hier beide Vorgehensweisen gleichwertig sein. Erstaunlicherweise ergeben die Rechnungen der Physiker jedoch einen deutlichen Unterschied in der Zuverlässigkeit der Informationsübertragung. Während quantenmechanische Rechnungen im Fall paralleler Spins eine "Wiedergabetreue" von 0,75 liefern, erhält man im Falle antiparalleler Spins etwa 0,79.

Popescu und ein Kollege konnten bereits früher nachweisen, daß die "optimale Messung" paralleler Spins eine sogenannte "Verschränkung" des "Meßgerätes" erfordert. Nichtmathematisch gesprochen bedeutet dies, daß die beiden Spins als Einheit gemessen werden, das heißt: Es gibt keine separaten Teile des Meßgerätes, die jeweils nur einen der beiden Spins messen. Das erklärt den Unterschied zum ersten Fall, in dem nur einzelne Spins verwendet wurden. Hier konnte Bob bei der entgegengesetzten Richtung sein Meßgerät einfach umdrehen oder das Meßergebnis uminterpretieren. Bei Zwei-Spin-Systemen existiert jedoch keine Möglichkeit, das (optimale) Meßgerät "umzudrehen", da die Spins – wie bereits erwähnt – nicht einzeln, sondern als Einheit gemessen werden.

Auch wenn die beiden Autoren ihre Schlußfolgerungen durch die theoretische Behandlung der entsprechenden Meßprozesse begründen können, weisen sie auf darauf hin, daß damit bei weitem noch nicht alles geklärt ist. Nach ihrer Ansicht ist die Wiedergabetreue bei der Übermittlung von Information größer, sofern man nicht versucht, klassische Information "herauszuziehen". Der Grund dafür, liegt aber noch im Dunklen.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 4.8.1998
"Nach der Elektronik die Spintronik"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 23.3.1998
"Auf dem Weg zum Quantencomputer"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)

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