Detektion der Nichtlokalität einzelner Partikel: Der gelbe Pfad ist Hardys ursprüngliches Schema. Der rote Pfad ist Teil der modifizierten Version, bei der ein Referenzzustand in der „Black Box“ erstellt wird. Der Referenzzustand wird vom Strahlteiler 1 in Richtung Alice abgespalten und der andere Teil wird von einem Spiegel reflektiert und dann von abgespalten Strahlteiler 2 in Richtung Bob. Dies stellt sicher, dass Alice und Bob ihre Messergebnisse konsistent vergleichen können und dass die Nichtlokalität aus dem ursprünglichen Einzelpartikelzustand stammen muss. (Geändertes Bild von Dunningham und Vedral)

Wenn Physiker in der Quantenmechanik von Nichtlokalität sprechen, beziehen sie sich normalerweise auf die Tatsache, dass sich zwei Teilchen unmittelbar gegenseitig beeinflussen können, selbst wenn sie durch große Entfernungen voneinander getrennt sind. Einstein nannte das Phänomen bekanntlich "gespenstische Interaktion in der Ferne", weil Informationen über ein Teilchen sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen scheinen und die Gesetze der Kausalität verletzen.

Obwohl die Idee nicht intuitiv ist, wird die Nichtlokalität inzwischen von Physikern weitgehend akzeptiert, wenn auch fast ausschließlich für Zweipartikelsysteme. Bisher hat kein Experiment die Nichtlokalität eines einzelnen Partikels ausreichend nachgewiesen, obwohl seit 1991 Erklärungen vorgeschlagen wurden (beginnend mit Tan, Walls und Collett).

Seitdem wurde das Thema von Physikern heftig diskutiert. 1994 schlug Lucien Hardy ein modifiziertes Schema von Tan, Walls und Colletts Behauptung vor. Andere (insbesondere Greenberger, Horne und Zeilinger) erhoben jedoch Einwände gegen Hardys Schema und behaupteten, es handele sich in Wirklichkeit um einen Mehrteilcheneffekt, der nicht experimentell nachgewiesen werden könne.

Nun haben Jacob Dunningham von der University of Leeds und Vlatko Vedral von der University of Leeds und der National University of Singapore Hardys Schema modifiziert und ihre Ergebnisse in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Physical Review Letters veröffentlicht . Durch das Eliminieren aller unphysikalischen Eingaben ermöglicht ihr Schema ein reales Experiment und stellt sicher, dass nur ein einzelnes Teilchen Nichtlokalität aufweist. Außerdem gilt das Schema von Dunningham und Vedral nicht nur für einzelne Photonen, sondern auch für Atome und einzelne massive Teilchen.

"Die größte Bedeutung dieser Arbeit ist, dass sie zeigt, wie Überlagerung und Verstrickung dasselbe 'Geheimnis' sind", erklärte Dunningham PhysOrg.com . „Feynman ist bekannt dafür, dass Überlagerung das einzige Rätsel in der Quantenmechanik ist. In jüngerer Zeit wurde Verschränkung jedoch allgemein als zusätzliches grundlegendes Merkmal der Quantenphysik angesehen. Hier zeigen wir, dass sie ein und dasselbe sind. “

In Hardys ursprünglichem Schema treffen ein Photon und ein Vakuumzustand auf einen Strahlteiler, ein Glasprisma, das einen Lichtstrahl in zwei Teile teilt. Zwei Beobachter, Alice und Bob, haben die Möglichkeit, entweder einen der Strahlen zu messen oder ihren Strahl mit einem kohärenten Lichtstrahl zu kombinieren, den resultierenden Strahl mit einem anderen Strahlteiler zu teilen und dann die beiden Ausgänge zu messen (auch bekannt als Homodyn-Erkennung “).

Die Entscheidungen von Alice und Bob könnten zu vier möglichen Kombinationen führen. Erstens, wenn beide ihren Strahl vom ursprünglichen Strahlteiler messen, erkennt nur einer ein Photon. Zweitens, wenn Alice ihrem Strahl einen kohärenten Zustand hinzufügt, während Bob seinen ursprünglichen Teilstrahl misst, hat Alice zwei Chancen, ein Photon an den beiden Ausgängen (c 1, d 1 ) ihres Strahlteilers zu detektieren. Hardy zeigte, dass, wenn Alice bei c 1 ein Photon entdeckte, Bob kein Photon entdeckte; aber wenn Alice bei d1 ein Photon entdeckt, muss Bob ein Photon entdecken. Bei der dritten Möglichkeit werden die Rollen von Alice und Bob einfach gewechselt, mit den gleichen Ergebnissen.

Bei der vierten Möglichkeit machen sowohl Alice als auch Bob Homodyn-Erkennungen. Wenn beide Teilchen an ihren d-Detektoren (d 1 bzw. d 2 ) detektieren, schließen sie beide, dass der andere ein Photon von der ursprünglichen Quelle detektieren muss. Dies ist ein Problem, da nicht beide richtig sein können - es gibt nur ein Originalphoton.

Hardy argumentierte, dass dieses Schema die Nichtlokalität eines einzelnen Partikels demonstriert, wenn man die implizite lokale Annahme beseitigt, dass Alices Ergebnis unabhängig von Bobs Messung ist (und umgekehrt). Vielmehr hängt das Ergebnis eines Beobachters von der Messung des anderen ab, so dass aufgrund eines nichtlokalen Einflusses die Messung des zweiten Beobachters von der Messung des ersten Beobachters bestimmt wird.

"Wenn wir versuchen, dieses experimentelle Schema nur unter Verwendung der klassischen Physik zu interpretieren, stellt sich heraus, dass die Ergebnisse aller vier vorgeschlagenen Experimente nicht konsistent sind", erklärte Vedral. „Das Ergebnis von Experiment vier stimmt nicht mit den anderen überein. Die klassische Physik geht davon aus, dass das Teilchen unabhängig davon existiert, dass wir es beobachten (oder messen), und dass eine Messung ein entferntes Teilchen nicht beeinflussen kann.

"Zum Beispiel kann das, was Alice tut, Bobs Partikel nicht beeinflussen", fuhr er fort. „Da die Ergebnisse dieses Schemas nicht mit der klassischen Physik übereinstimmen, müssen wir eine der Annahmen fallen lassen. Das bedeutet, wenn wir die Ansicht behalten wollen, dass die Realität unabhängig von unseren Messungen existiert (z. B. der Mond ist da, auch wenn wir ihn nicht betrachten), müssen wir akzeptieren, dass die Welt nicht lokal ist. So begründete Hardy sein Argument für die Nichtlokalität mit den widersprüchlichen Ergebnissen. “

Greenberger, Horne und Zeilinger stellten jedoch Hardys Argument in Frage und wiesen darauf hin, dass die Kombination eines Photons und eines Vakuums keinen beobachtbaren Zustand zur Folge habe und daher nicht in einem echten Experiment durchgeführt werden könne. Sie versuchten sogar, ein Schema zu entwickeln, bei dem diese so genannten "Partialcle" -Überlagerungen nicht verwendet wurden, stellten jedoch fest, dass das gesamte System dann Nichtlokalität aufwies, sodass es unmöglich war, einem einzelnen Partikel Nichtlokalität zuzuweisen.

Der Vorschlag von Dunningham und Vedral enthält einige wichtige Änderungen an Hardys Schema. Anstatt kohärente Zustände eines Photons und Vakuums zu verwenden, verwenden sie zunächst gemischte Zustände - eine Mischung kohärenter Zustände, die über alle Phasen der Teilchen gemittelt sind. Auf diese Weise verletzen sie nicht die Überauswahlregeln und vermeiden so Einwände, die zuvor erhoben wurden.

Dann stellen sie für die Homodyn-Detektion sicher, dass der kohärente Lichtstrahl, der sich mit dem ursprünglichen Strahl verbindet, die gleiche Phase aufweist. Die gleiche Phase ist der Schlüssel, um sicherzustellen, dass Alice und Bob ihre Messergebnisse konsistent vergleichen können. Die kohärenten Zustände sind nur klassisch mit dem Einzelteilchenzustand korreliert. Dies bedeutet, dass, wenn Alice und Bob ihre Homodyn-Detektionen durchführen und eine Detektion die andere beeinflusst, die Nichtlokalität aus dem ursprünglichen Einzelpartikelzustand stammen muss.

Da es vor allem darauf ankommt, eine gemeinsame Durchschnittsphase beizubehalten - aber keine bestimmte Phase -, könnte das Schema von Dunningham und Vedral im Prinzip im Labor durchgeführt werden. Außerdem schlagen die Forscher vor, dass ihr Schema mithilfe von Strahlteilern für Atome und Atomdetektoren möglicherweise zusätzlich zu einem masselosen Photon die Nichtlokalität eines einzelnen massereichen Partikels verifizieren könnte.

"Ein wichtiges Merkmal dieser Arbeit ist, dass aufgezeigt wird, wie dieses Experiment durchgeführt werden kann, ohne die Überauswahlregel für die Nummernerhaltung zu verletzen", sagte Dunningham. „Das ist wichtig, weil Menschen solche Verstöße oft gerne für masselose Partikel (z. B. Photonen) akzeptieren, aber nicht für massive Partikel wie Atome. Indem wir diese Verletzung vollständig vermeiden, zeigen wir, dass die Ergebnisse dieses vorgeschlagenen Experiments sowohl für massive als auch für masselose Partikel gleich sein sollten. “

Die Wissenschaftler stellen einen interessanten Vergleich ihres Ergebnisses mit einem Prinzip der Leibniz-Metaphysik, der Identität von Ununterscheidbaren, fest. Nach dem Prinzip muss ein Paar von verschränkten Quantenteilchen von einem einzelnen Teilchen nicht zu unterscheiden sein, da beide Objekte dieselben Eigenschaften gemeinsam haben - dies ist die einzige Bedingung des Prinzips, da die Anzahl irrelevant ist. Die hier demonstrierte Nichtlokalität einzelner Zustände verstärkt die Gleichwertigkeit eines einzelnen Zustands und eines verstrickten Zustands - was der Position mehr Glaubwürdigkeit verleiht, dass die Quantenfeldtheorie, in der Felder fundamental und Teilchen sekundär sind, eine enge Repräsentation der Realität ist.

Weitere Informationen : Dunningham, Jacob und Vedral, Vlatko. "Nichtlokalität eines einzelnen Teilchens." Physical Review Letters 99, 180404 (2007).

Copyright 2007 PhysOrg.com.
Alle Rechte vorbehalten. Dieses Material darf ohne die ausdrückliche schriftliche Genehmigung von PhysOrg.com weder ganz noch teilweise veröffentlicht, gesendet, umgeschrieben oder weiterverbreitet werden.