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Wie ein Tabletop-Experiment das Fundament der Realität testen könnte
Diagramm über dem Wolkenbild Quellfoto: Unsplash
Hier ist ein kurioses Gedankenexperiment. Stellen Sie sich eine Wolke aus Quantenteilchen vor, die verschränkt sind – mit anderen Worten, sie teilen dieselbe Quantenexistenz. Das Verhalten dieser Teilchen ist chaotisch. Das Ziel dieses Experiments ist es, eine Quantenbotschaft über diese Gruppe von Teilchen zu senden. Die Nachricht muss also an eine Seite der Cloud gesendet und dann von der anderen Seite extrahiert werden.
Der erste Schritt besteht also darin, die Wolke in der Mitte zu teilen, sodass die Teilchen auf der linken Seite getrennt von denen auf der rechten Seite kontrolliert werden können. Der nächste Schritt besteht darin, die Nachricht in den linken Teil der Wolke zu injizieren, wo sie durch das chaotische Verhalten der Partikel schnell durcheinander gebracht wird.
Kann eine solche Nachricht jemals entschlüsselt werden?
In einem neuen Artikel diskutieren Adam Brown von Google in Kalifornien und eine Reihe von Kollegen, darunter Leonard Susskind von der Stanford University, dem Vater der Stringtheorie, genau, wie eine solche Nachricht überraschend wieder auftauchen kann.
Die Überraschung ist, was als nächstes passiert, sagen sie. Nach einer Zeit, in der die Nachricht gründlich verwürfelt erscheint, entschlüsselt sie sich abrupt und fügt sich an einer Stelle wieder zusammen, die weit von der Stelle entfernt ist, an der sie ursprünglich eingefügt wurde. Das Signal hat sich unerwartet neu fokussiert, ohne dass überhaupt ersichtlich war, was als Linse fungierte, sagen sie.
Aber das wirklich Außergewöhnliche, auf das sie hinweisen, ist, dass ein solches Experiment Licht auf eines der tiefsten Geheimnisse des Universums wirft: die Quantennatur von Schwerkraft und Raumzeit.
Zuerst einige Hintergrunderklärungen. Der Schlüssel zum Verständnis dieses Gedankenexperiments liegt in der Natur emergenter Phänomene. Brown und Co. sagen, dass Quantensysteme auftauchende Phänomene genauso darstellen können wie gewöhnliche Systeme.
Wenn beispielsweise zwei Menschen miteinander sprechen, ist das Phänomen aus der Sicht der Modellierung jedes einzelnen Moleküls in der Luft schwer zu verstehen. Der Raum, in dem sie sprechen, könnte eine Milliarde Milliarden Milliarden Moleküle enthalten, von denen jedes alle zehntel Nanosekunde mit dem anderen kollidiert.
Das Gespräch geht trotzdem weiter. Kommunikation ist trotz des Chaos möglich, weil das System dennoch über emergente kollektive Modi – Schallwellen – verfügt, die sich in einer geordneten Weise verhalten, schreiben Brown und seine Kollegen.
Ein ähnliches Phänomen wirkt auf der Quantenebene. Und es ist dieses aufkommende Phänomen, argumentieren Brown und seine Kollegen, das die Quantenbotschaft im früheren Beispiel neu ausrichtet.
Wenn Quanteneffekte wichtig sind, können komplexe Verschränkungsmuster zu qualitativ neuen Arten von entstehenden kollektiven Phänomenen führen, schreiben sie. Ein extremes Beispiel für diese Art von Emergenz ist gerade die holografische Erzeugung von Raumzeit und Schwerkraft aus Verschränkung, Komplexität und Chaos.
Deshalb ist dieses Gedankenexperiment von so großem Interesse. Es ermöglicht Physikern, über ein einfaches Beispiel eines entstehenden Quantenphänomens nachzudenken und wie sie eines im Labor erzeugen und testen könnten.
Wie könnten sie also bei einem solchen Experiment vorgehen? Brown und Co sagen, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, sich dem zu nähern. Der erste Schritt besteht darin, einen Satz verschränkter Quantenzustände zu erzeugen, die dann in zwei Sätze getrennt werden können, die separat behandelt werden können.
Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, eine Sammlung verschränkter Paare zu erstellen, die als Bell-Paare bekannt sind. Brown und Co. stellen fest, dass diese Paare bereits unter Verwendung von Rubidiumatomen und mit eingefangenen Ionen erzeugt wurden.
Der nächste Schritt besteht darin, Quanteninformationen in eine Hälfte dieser Quantenzustände einzufügen. Der letzte Schritt besteht darin, die Quantenentwicklung der anderen Hälfte der Quantenzustände so zu steuern, dass die Botschaft wieder auftauchen kann.
Es wurden jedoch bereits Experimente durchgeführt, die eine solche Quantenverwürfelung bewerkstelligen, bei der Informationen über ein Quantensystem verteilt und anschließend wiedergewonnen werden. Insbesondere veröffentlichte eine Gruppe an der University of Maryland, College Park, zusammen mit Mitarbeitern an der University of California, Berkeley, und dem Perimeter Institute of Theoretical Physics in Waterloo, Ontario ein Papier in der Natur im März 2019 und beschrieb ihre erfolgreichen Bemühungen, genau das zu tun.
Sie verwendeten einen Quantencomputer, der aus einer Kette von neun Ytterbium-Ionen besteht, die von Lasern gekühlt werden, während sie in einer Hochfrequenzfalle gehalten werden. Die UMD-Forscher implementierten in den mittleren sieben der neun Ionen eine Sieben-Qubit-Schaltung. Das erste Qubit wurde in drei Qubitpaare verschlüsselt, wodurch die darin enthaltenen Informationen auf insgesamt sechs Qubits verteilt wurden (von denen eines das ursprüngliche Qubit war). Anschließend maßen sie das siebte Qubit, das mit dem sechsten Qubit gepaart worden war. Mit einer Genauigkeit von etwa 80 % befand sich das siebte Qubit in einem Quantenzustand, der nicht vom ursprünglichen ersten Qubit zu unterscheiden war.
Die Interpretation dieses Ergebnisses ist nicht einfach, aber die Gruppe führte mehrere Kontrollexperimente durch, die aus technischen Gründen, die zu subtil sind, um sie hier zu erklären, ihre Behauptung bestätigten, dass die ursprünglich nur im ersten Qubit codierten Informationen wirklich über das gesamte System delokalisiert waren.
Die in unserem Experiment beobachtete Scrambling-induzierte Teleportation kann neu interpretiert werden als Simulation der Ausbreitung von Informationen durch ein durchquerbares Wurmloch, das ein Paar Schwarze Löcher verbindet, stellt das Nature Paper fest.
Solche Experimente legen eine Reihe aufregender Möglichkeiten nahe. Die Fähigkeit, mit Analoga zu einer entstehenden Form der Raumzeit zu spielen, macht es möglich, bestimmte Vorstellungen über die Quantengravitation zu testen.
Brown und Co. sind sichtlich aufgeregt. Sie schreiben: Die Technologie zur Steuerung komplexer Quanten-Vielteilchensysteme schreitet schnell voran, und wir scheinen am Beginn einer neuen Ära in der Physik zu stehen – der Erforschung der Quantengravitation im Labor.
Ref: arxiv.org/abs/1911.06314 : Quantengravitation im Labor: Teleportation nach Größe und durchquerbare Wurmlöcher.
Korrektur: 14. Januar 2020
Diese Geschichte besagte ursprünglich: Unterm Strich geht diese Art von Experiment über den Stand der aktuellen Quantenkunst hinaus. Angesichts der Geschwindigkeit, mit der Physiker ihre Quantenfähigkeiten entwickeln, könnte dies jedoch in den nächsten Jahren möglich sein. Diese Aussage war falsch. Der Text wurde bearbeitet, um a wiederzugeben Versuch mit gefangenen Ionen in der Ausgabe von Nature vom 6. März 2019 berichtet, die genau die Art von Verschlüsselung, Teleportation und Dekodierung bewerkstelligt, die diskutiert wurde.
Diese Geschichte wurde gegenüber der Originalversion weiter bearbeitet, um die Tatsache widerzuspiegeln, dass, obwohl das Papier von Brown et al. veröffentlicht am 14. November 2019, sicherlich zum Nachdenken anregt, ist es nicht das erste Papier, das darauf hindeutet, dass Tabletop-Quantencomputing-Experimente ein nützlicher und interessanter Weg sein können, um Einblicke in die Quantengravitation zu gewinnen.
Diese Geschichte wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auch durchgehend bearbeitet.
MIT Technology Review bedauert die Fehler.