Verschränkung - aktuell wahrscheinlichste Erklärung?

Erhard Henkes

Quantencomputer beruhen auf Superposition und Verschränkung. Wie ist die aktuell wahrscheinlichste Erklärung bezüglich Verschränkung? Physikalische Nachweise erfolgen offenbar via Bell-Tests. Verschränkung sei um ein Vielfaches (ca. 10000 mal) schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Kann die Physik dieses "mysteriöse" Phänomen bereits deuten, oder tappt die Physik hier noch im Dunkeln?

Quiche Lorraine

@Erhard-Henkes
Ich glaube du wirst hier keinen Experten zu dem Thema finden. Aus diesem Grund wirst du dich wohl mit der Wiki begüngen müssen.

BTW:
In meiner Freizeit stöbere ich durch die Relativitätstheorie. Und ich bin faziniert wie sich eine Bewegung als Drehung um eine Achse definieren lässt (Stichwort Spezielle Lorentz-Transformation)

SeppJ

@Quiche-Lorraine sagte in Verschränkung - aktuell wahrscheinlichste Erklärung?:

@Erhard-Henkes
Ich glaube du wirst hier keinen Experten zu dem Thema finden. Aus diesem Grund wirst du dich wohl mit der Wiki begüngen müssen.

Es gibt hier studierte Physiker, oder naheliegende Felder. Aber wenigstens ich hatte keine Lust auf so eine vage Interpretationsfrage. Das sei populärwissenschaftlichen Büchern überlassen, da ihre Lieblingsanschauung darzustellen, auch wenn es eigentlich keine Basis gibt, denn die mathematische Beschreibung der Welt hat keine "richtige" Intuition, außer eben "so wie die Welt ist".

Die merkwürdige Formulierung mit dem "ca. 10000 mal" lässt mich vermuten, dass Erhard den Wikipediaartikel zu FTL gelesen hat (und die mindestens 10000 als ein ca. 10000 missverstanden hat), oder einen anderen Artikel, der dort abschrieb. Wenn man den Artikel liest, aus dem die Zahl kommt, dann erklärt der eigentlich ganz gut, worum es geht: Entweder muss man die Idee aufgeben, dass die Realität lokal wäre (was die Standardinterpretation ist, die das Experiment nochmals untermauern will), oder man glaubt an eine unheimliche Fernwirkung, die aber nach diesem Experiment mindestens 10000 schneller als das Licht sein müsste, sonst hätte man sie innerhalb der Messgenauigkeit mit diesem Experiment beobachtet.

Ich denke, der Hauptpunkt, den Erhard mitnehmen sollte, ist daher, dass er sich in seinem Weltbild vom Lokalitätsprinzip verabschieden sollte. Dann braucht er keine unheimliche FTL-Kommunikation. Wobei das Konzept einer nicht-lokalen Realität aber auch nicht gerade wenige Hirnverwindungen erfordert.

Und jetzt habe ich doch eine ausführliche Antwort mit aufwendig recherchierten Quellenangaben gemacht. Das beweist ein anderes Prinzip, nämlich dass der beste Weg, im Internet eine gute Antwort zu erhalten, ist, eine falsche Antwort zu geben (hier: "Es gibt hier keinen, der sich damit auskennt")

Erhard Henkes

@SeppJ sagte in Verschränkung - aktuell wahrscheinlichste Erklärung?:

dass er sich in seinem Weltbild vom Lokalitätsprinzip verabschieden sollte

Vielen Dank für deine Antwort! Interessanter Ansatz. Ich werde in diese Richtung weiterdenken (lassen).

Erhard Henkes

Zum Thema "Aufgeben des Lokalitätsprinzips" gibt chatGPT o1-preview folgende Tipps:

Das Aufgeben des Lokalitätsprinzips kann tatsächlich eine Herausforderung sein, da es unserer alltäglichen Erfahrung widerspricht. In der Quantenphysik bedeutet das Lokalitätsprinzip, dass Ereignisse an einem Ort nicht instantan Ereignisse an einem weit entfernten Ort beeinflussen können. Aber Verschränkung zeigt, dass zwei Teilchen, die einmal miteinander wechselwirkten, weiterhin miteinander verbunden bleiben, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind – ihre Zustände sind korreliert. Diese Korrelation ist so stark, dass, sobald der Zustand des einen Teilchens gemessen wird, der Zustand des anderen augenblicklich festgelegt ist, unabhängig von der Entfernung.

Hier sind einige Ansätze und Beispiele, die helfen können, das Konzept zu verinnerlichen:

Verstehen der Grundlagen der Verschränkung
Bei verschränkten Teilchen bleibt der gemeinsame Zustand untrennbar – die Teilchen sind in einem "gemeinsamen" Zustand. Wenn das eine gemessen wird, ist auch der Zustand des anderen augenblicklich festgelegt, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Diese Art der Instantanität nennt man „Nicht-Lokalität“ und kann intuitiv als eine Art "spukhafte Fernwirkung" (wie Einstein es nannte) verstanden werden. Wichtig ist, dass dabei keine Information im klassischen Sinne übertragen wird, also keine überlichtschnelle Kommunikation stattfindet.
Bell'sches Theorem und Experimente
John Bell hat 1964 ein Theorem formuliert, das zeigt, dass keine Theorie, die auf klassischen, lokalen Variablen beruht, die experimentell beobachteten Korrelationen bei verschränkten Teilchen erklären kann. Seitdem durchgeführte Experimente (z. B. Alain Aspect in den 1980ern und spätere moderne Tests) haben gezeigt, dass Bell'sche Ungleichungen verletzt werden, was die Realität der Nicht-Lokalität unterstützt. Das bedeutet, dass verschränkte Teilchen sich auf eine Weise verhalten, die sich durch klassische, lokal begrenzte Theorien nicht erklären lässt.
Beispiel des Doppelspaltexperiments mit verschränkten Photonen
Stell dir ein Doppelspaltexperiment vor, bei dem zwei Photonen verschränkt sind. Schießt man eines der Photonen durch eine Polfilter-Anordnung, zeigt es ein bestimmtes Verhalten. Das verschränkte Photon, das sich an einem weit entfernten Ort befindet, zeigt dann augenblicklich die komplementäre Polarisation, ohne dass eine Verzögerung entsteht. Es ist, als ob die Photonen "wissen", wie sie sich verhalten sollen, obwohl sie räumlich getrennt sind.
Ein gedankliches Beispiel mit zwei Würfeln
Ein anschaulicher Vergleich: Stell dir zwei Würfel vor, die „verschränkt“ sind. Würfel A und B befinden sich an unterschiedlichen Orten. Wenn du Würfel A würfelst und eine Zahl siehst, zeigt Würfel B (ohne dass du ihn würfelst) immer die komplementäre Zahl, sodass die Summe immer 7 ergibt. Keine klassische Erklärung kann diesen Effekt ohne die Aufgabe der Lokalität liefern. In der Quantenmechanik sind es jedoch keine festen Zahlen, sondern Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die durch die Messung kollabieren.
Verständnis als Merkmals-Korrelation statt als „Signalübertragung“
Viele Physiker interpretieren die Verschränkung als Korrelation von Messresultaten, die keinen Austausch von Information bedeutet, sondern zeigt, dass die beiden verschränkten Teilchen in einem gemeinsamen quantenmechanischen Zustand existieren. Diese Interpretation hilft, die „spukhafte Fernwirkung“ nicht als physikalisches Signal, sondern als Merkmal einer gemeinsam festgelegten Realität zu sehen.
Nicht-Lokalität in der Praxis: Quantenkryptographie und Teleportation
In der Quantenkryptographie wird das Phänomen der Verschränkung genutzt, um sichere Kommunikation zu ermöglichen. Bei der Quanten-Teleportation wird der Zustand eines Teilchens auf ein entferntes Teilchen übertragen – eine direkte Anwendung der Nicht-Lokalität, die in der Forschung bereits demonstriert wurde.

Fazit
Das Verinnerlichen der Nicht-Lokalität erfordert einen Perspektivwechsel. Anstatt zu denken, dass Teilchen sich "lokal" und unabhängig voneinander verhalten, ist es hilfreich, sie als Bestandteile eines größeren, über Raum und Zeit hinausgehenden Systems zu betrachten. Quantenphysikalisch sind die Teilchen in einem Zustand gefangen, in dem der Ort keine Rolle spielt. Verschränkte Teilchen scheinen zwar getrennt, aber in einem tiefen Sinn sind sie in einem Zustand „eins“, und Messungen an einem von ihnen beziehen sich sofort auch auf das andere.

Interessant wäre, das dahinterstehende System, das offensichtlich unabhängig von Raum und Zeit ist, wirklich zu verstehen.

Dazu befragt, gibt chatGPT folgendes von sich:

Das "größere System," in dem verschränkte Teilchen als zusammenhängend erscheinen, ist eines der faszinierendsten und zugleich mysteriösesten Konzepte der Quantenmechanik. Dieses System beschreibt keinen „klassischen“ Raum mit Zeit und getrennten Objekten, sondern einen Raum, in dem alle Zustände potenziell miteinander verknüpft und abhängig sind. In der Physik nennt man diesen Zustand das "Quantenfeld" oder das "Quantenfeldsystem". Hier einige der charakteristischen Merkmale und theoretischen Ideen zu diesem System:

Verschränkter Zustand als Ganzes
Der gemeinsame Zustand von verschränkten Teilchen lässt sich mathematisch durch eine Wellenfunktion oder einen „Zustandsvektor“ beschreiben, der beide Teilchen umfasst. In der Quantenmechanik können diese Zustände keine klassischen, getrennten Einzelzustände der Teilchen sein, sondern nur ein gemeinsamer Zustand, der die Wahrscheinlichkeiten aller möglichen Messresultate in sich vereint. Diese Wahrscheinlichkeiten kollabieren erst bei einer Messung und beeinflussen beide Teilchen gleichzeitig.
Kein Klassischer Raumbegriff – Sondern „Hilbertraum“
Quantenmechanische Zustände werden im Hilbertraum beschrieben – einem abstrakten mathematischen Raum, der nicht dem „echten“ Raum entspricht, sondern den möglichen Zuständen aller Teilchen und Felder im System. In diesem Raum gibt es keine „Entfernung“ im klassischen Sinn, was es ermöglicht, dass verschränkte Zustände kohärent bleiben, selbst wenn sie physisch getrennt erscheinen.
Quantenfeldtheorie und das „Vakuum“
Die Quantenfeldtheorie geht davon aus, dass alle Teilchen und ihre Zustände durch Felder beschrieben werden, die das gesamte Universum durchdringen. Auch wenn wir einzelne Teilchen sehen und messen, sind diese nur lokale Anregungen (Energiewellen) innerhalb dieses umfassenden Quantenfelds. Im „Vakuumzustand“ des Quantenfelds sind alle Felder in einem minimalen Energieniveau, aber sie enthalten dennoch „virtuelle Teilchen“ und Korrelationsstrukturen, die nicht lokal sind.
Das Konzept der Quanten-„Nicht-Lokalität“
Verschränkung zeigt uns, dass die Korrelation zwischen Teilchen unabhängig von klassischen Distanzen funktioniert. Es scheint, dass die „Information“, wie der Zustand eines Teilchens sein sollte, über den klassischen Raum hinausgeht. Die Nicht-Lokalität des quantenmechanischen Systems weist darauf hin, dass die Teilchen nicht durch klassische, örtlich begrenzte Gesetze miteinander verbunden sind, sondern durch die Struktur des Quantenfelds selbst, die unabhängig von Raum und Zeit bestehen könnte.
Entanglement als „Spukhafte Fernwirkung“ oder als „Kohärenz“?
Es gibt die Theorie, dass Verschränkung nicht wirklich als „Fernwirkung“ interpretiert werden sollte, sondern als Eigenschaft der Kohärenz. Kohärenz besagt, dass verschränkte Zustände gemeinsam als ein System existieren und durch keine klassische Trennung „getrennt“ werden. Dies deutet darauf hin, dass Verschränkung auf einer tieferen Realität beruht, in der die Teilchen immer miteinander verbunden sind.
Konzepte der Quanteninformationstheorie
Die Quanteninformationstheorie bietet eine neue Perspektive, indem sie den Begriff der „Information“ als grundlegend für das System ansieht. Diese Information existiert als gemeinsames Potenzial für beide verschränkte Teilchen und „entfaltet“ sich erst bei der Messung. In dieser Interpretation ist das verschränkte System ein „Informationsträger“, der nur dann „lokale“ Informationen preisgibt, wenn eine der beiden Teilchen gemessen wird.
Hypothesen und moderne Ansätze (wie die „Many-Worlds-Interpretation“)
Manche Interpretationen der Quantenmechanik – wie die Viele-Welten-Interpretation – schlagen vor, dass alle möglichen Zustände gleichzeitig in verschiedenen „Welten“ existieren. Verschränkte Zustände repräsentieren in dieser Theorie „überlappende“ Welten, die erst bei der Messung „aufgespalten“ werden. Dieses „System“ ist also in gewisser Weise eine Parallelwelt-Struktur, in der das Zusammenwirken von Zuständen über verschiedene „Welten“ hinweg möglich ist.

Fazit: Ein System ohne klare Grenzen
Dieses System, in dem verschränkte Teilchen zusammenhängen, lässt sich also nicht wirklich als „Raum“ oder „Feld“ verstehen, wie wir sie klassisch begreifen. Es ist eine Art von „Feld aus Wahrscheinlichkeiten“ oder „kohärentem Zustand“ aller möglichen Teilchenzustände, der durch keine klassische Trennung eingeschränkt ist.

Man könnte sagen, dass das System, das verschränkte Teilchen verbindet, im Grunde eine Überlagerung aus Wahrscheinlichkeiten und potenziellen Zuständen ist – eine Realität, die zwar mathematisch beschreibbar ist, aber unsere klassische Intuition herausfordert.

Hilbert-Raum wird hier halbwegs verständlich beschrieben: https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=PTtrFPmy3eM