Quantenoperationen & Superpositionen – Wissenschaftler führen Experimente durch, die die Gesetze der Logik brechen!

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Unser Verständnis der Welt ist meist auf Grundwahrnehmungen aufgebaut, so dass sich die Ereignisse in einer klar definierten Reihenfolge befinden. Solche definitiven Ordnungen sind in der makroskopischen Welt erforderlich, für die die Gesetze der klassischen Physik gelten. Jedoch können in der Quantenwelt Ordnungen verwürfelt werden. Die neue Arbeit von einer Mannschaft von Physikern ist die erste experimentelle Quantifizierung solch einer Überlagerung.

Bei der Beschreibung der Natur mit physikalischen Gesetzen beginnen die Wissenschaftler oft aus alltäglichen Erfahrungen. Allerdings gilt unsere übliche Intuition nicht für die Quantenwelt. Physiker haben kürzlich begriffen, dass die Quanten-Theorie uns sogar zwingt, angeborene Vorstellungen wie die Ordnung der Dinge zu befragen. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Rennen zwischen Peter und Ines vor. Im Alltag ist der Gewinner der erste, der die Ziellinie überquert. So sagt es der gesunde Menschenverstand, dass entweder Peter oder Ines gewinnt, oder sie sind punktgleich. Diese Argumentation ist jedoch nicht immer in der Quantenwelt zutreffend. Tatsächlich erlaubt die Quantenmechanik jedem Läufer in einem Rennen zu gewinnen und zu verlieren. Ines könnte die Ziellinie sowohl vor als auch nach Peter in der Quantenüberlagerung erreichen. Doch selbst wenn wir ein solches Quantenrennen hielten, wie könnten wir überprüfen, dass beide Läufer in Überlagerung gewonnen haben? Ein Teil des Problems ist, dass die Quantenmechanik sagt, wenn wir das Rennen beobachten, dass es zusammenbricht. Das bedeutet, dass wir nur sehen, ob Ines gewinnt oder das Rennen verliert, und nicht die Überlagerung.

Erleben von zusammengerafften Ordnungen von Operationen.

Eine Gruppe von Physikern geführt von Philip Walther (Foto) an der Universität Wien hat ein neues Maß, genannt „kausaler Zeuge“ entworfen, der ihnen erlaubt zu sehen, ob Ines gewinnt und zur gleichen Zeit verliert. Diese spannende Messtechnik entwarf Caslav Brukners Theorie-Gruppe an der österreichischen Akademie der Wissenschaften. Formal ist ein kausaler Zeuge ein mathematisches Werkzeug um festzustellen, ob es möglich ist, ein Experiment zu beschreiben, ohne überlagerte Ordnungen aufsuchen zu müssen. Mit diesem neuen Tool können die Physiker mehr tun, als einfach zu sehen ob Ines in einer Superposition verliert und gewinnt. Sie sind im Stande, den Grad zu messen, zu dem die zwei Situationen wirklich überlagert werden.

Anstatt ein mikroskopisches Quantenrennen abzuhalten, schickten die PhysikerInnen in ihren Experimenten jeweils ein Photon – ein Teilchen aus Licht – in Superposition in zwei verschiedene Richtungen zugleich. Jeder dieser Pfade wurde in unterschiedlichen Reihenfolgen durch zwei verschiedene Quantenoperationen geleitet. Um die Methode des kausalen Zeugen anwenden zu können, entwarfen die PhysikerInnen ein Schema, mit dem sie Information über die Superposition der Reihenfolgen gewinnen konnten, ohne dabei die Superposition zu zerstören. Dies erreichten sie, indem sie ein anderes Quantensystem verwendeten, um – salopp formuliert – die Fahne zu schwenken, sobald das Photon an einer der Quantenoperationen vorbeikam. Ihr neuer Trick ermöglichte den ForscherInnen Information ausschließlich über die gesamte Superposition und nicht konkret über die Reihenfolge der Operationen auszulesen. Ihre Messresultate bestätigen, dass die Photonen wirklich durch beide Quantenoperationen in zwei verschiedenen Reihenfolgen zugleich hindurchgegangen waren.

Zukünftige Anwendungen.

Die Tatsache, dass die Reihenfolge der Quantenoperationen in eine Quantensuperposition gebracht werden kann, eröffnet der Quantenforschung neue Möglichkeiten. Dies ist bereits an der großen Anzahl von theoretischen Vorschlägen zur Rolle der “kausalen Zusammenhänge” in der Quantenmechanik erkennbar. Diese Vorschläge in Experimente im Labor zu übertragen ist jedoch eine Herausforderung. “Unsere experimentelle Demonstration ist ein bedeutender Schritt in diesem Gebiet, da sie zeigt, wie Information aus dem Inneren der Quantenprozesse gewonnen werden kann, ohne deren Quantennatur zu zerstören”, so Giulia Rubino, Erstautorin der Studie.

Das nächste Ziel der Gruppe ist es, neue technologische Fortschritte auszunutzen, um Superpositionen von noch komplexeren Prozessen zu schaffen. Dies wird ihnen ermöglichen, tiefere Einblicke in das Zusammenspiel zwischen kausalen Zusammenhängen und Quantenmechanik zu gewinnen. Außerdem ist es ein interessanter Ansatz, um Aufgaben jenseits der Möglichkeiten selbst eines Standard-Quantencomputers mit einer fixen Abfolge von Rechenoperationen zu optimieren. (Quelle: Universität Wien)

– DENKE-ANDERS-BLOG –

Journal Reference:

1. Giulia Rubino, Lee A. Rozema, Adrien Feix, Mateus Araújo, Jonas M. Zeuner, Lorenzo M. Procopio, Časlav Brukner, Philip Walther. Experimental verification of an indefinite causal order. Science Advances, 2017; 3 (3): e1602589 DOI: 10.1126/sciadv.1602589
2. Materials provided by University of Vienna.