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News: Verschränkte Quanten

Zwei Teilchen können trotz einer großen Entfernung zwischen ihnen gemäß den seltsamen Regeln der Quantenmechanik miteinander verbunden sein. Bei Photonen und Elektronen haben Physiker dieses mysteriöse Verhalten bereits früher im Labor beobachtet. Kürzlich gelang ihnen der experimentelle Nachweis dieser Verschränkung auch für mittelschwere Teilchen, die aus Quarks bestehen.
Den Gesetzen der Quantenmechanik zufolge, bleiben die Quanteneigenschaften zweier Teilchen, die am gleichen Ort und zur gleichen Zeit gebildet werden, miteinander verschränkt, selbst wenn diese sich mit Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen. Einstein haßte seinerzeit dieses "geisterhafte Getue in der Ferne". Aber zahlreiche Experimente haben mittlerweile zumindest bei Photonen und Elektronen die Theorie bestätigt.

Eine Gruppe von Physikern, die im europäischen Laboratorium CERN in der Nähe von Genf tätig ist, konnte den Effekt jetzt auch bei Kaonen nachweisen (Physics Letters B). Kaonen sind mittelschwere Teilchen, die aus Quarks aufgebaut sind. Aus diesen Quarks wiederum setzen sich auch Protonen und Neutronen zusammen, aus denen – in Kombination mit Elektronen – die uns geläufige Materie besteht. Das Team benutzte den CERN-Beschleuniger, um Antiprotonen in Wasserstoffgas zu schießen. Dadurch erzeugten sie Kaonen und Antikaonen (das Antimaterie-Pendant eines Kaons), die sich innerhalb eines großen Detektors in unterschiedliche Richtungen fortbewegten. Auf ihrer Reise existierte jedes Teilchen als ein seltsames Quantumhybrid – teils Kaon, teils Antikaon. Erst durch den Vorgang der Messung nahm das Teilchen endgültig einen der beiden Zustände ein, und im gleichen Moment wurde sein verschränkter Partner das zugehörige Gegenpartikel.

Anhand der Überreste, die beim Aufprall der Teilchen auf die Wänden des Detektors entstanden, konnten die Forscher Kaonen und Antikaonen unterscheiden. Das Team selektierte einige Dutzend dieser Vorgänge und fand das vorhergesagte Verhalten: Wenn ein Teilchen als Kaon gemessen wurde, zwang dieses Resultat das andere Partikel in den Zustand des Antikaons. Obwohl die Teilchen mehrere Zentimeter auseinander lagen, war ihre Identität dennoch miteinander verschränkt. "Wir können zu einem gegebenen Zeitpunkt mit 100prozentiger Wahrscheinlichkeit den Zustand eines Teilchens vorhersagen, ohne dieses zu messen, indem wir ganz einfach das andere Teilchen des Paares messen", sagt Teammitglied Armand Muller. "Das zeigt auf interessante Weise, [daß diese] komischen Wechselbeziehungen der Quantenmechanik auch auf Entfernung wirklich bestehen", meint John Ellis, Theoretiker am CERN.

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