Delayed-Choice Quantenradierung und delayed quantenradierung - delayed quantum eraser

Delayed-Choice Quantenradierung [Quantenmechanik]

Delayed-Choice Quantenradierung ist die weiterführende Erklärung der Quantenmechanik in Bezug auf Wahrnehmung, Wellen- und Teilchenverhalten von Quanten.

Die Bezeichnung Delayed-Choice Quantenradierung klingt erst einmal sehr wild und man fragt sich dabei, womit man es hierbei eigentlich zu tun hat, aber es ist gar nicht so schwer, den Zusammenhang zu verstehen bezüglich der Quantenmechanik und den neuesten Forschungen.

Das Doppelspalt Experiment

Das Doppelspalt Experiment ist eine Vorgehensweise, um das Verhalten von Teilchen zu verstehen. Hier hat man zwei Metallplatten aufgebaut, die jeweils über einen Spalt verfügen. Nun schießt man Teilchen (Elektronen) durch den Spalt der beiden Platten. Dahinter befindet sich eine Wand, die eine Abbildung der beiden Spalten anzeigt. Dies bedeutet, schießt man tausende Teilchen durch die beiden Spalten, müssten auf der dahinterliegenden Wand das Muster der zwei Spalten in Erscheinung treten. Dies ist auch der Fall.

Doch interessanterweise verhält sich dieses Muster nur in dem Fall, wenn man das Experiment beobachtet. Sobald kein Beobachter vorhanden ist, entstehen plötzlich mehr Muster auf der Wand, obwohl nur zwei Spalten existieren.

Doppelspalt Experiment

Dieses Experiment hat geradezu mit einem verrückten Ergebnis stattgefunden, denn jedes Teilchen ist also nur so lange ein Teilchen, wie es beobachtet wird. Existiert kein Beobachter, verwandeln sich Teilchen in Wellen und verhalten sich unberechenbar. Es ist, als wüssten die Teilchen, wie sie sich zu verhalten haben, sobald ein Beobachter anwesend ist.

In diesem Kontext wirft allein dieses Experiment ganz neue Fragen auf und alte Weise Sprüche, wie “Macht ein umfallender Baum im Wald ein Geräusch, wenn niemand da ist?”, bekommen hierbei eine ganz neue Erklärung.

Schrödingers Katze

Schrödinger veranschaulichte bereits zuvor ein Experiment, das die Unvorhersehbarkeit von Ereignissen stets nur von einem existenten bzw. nicht-existenten Beobachter abhängen. Sperrt man z.B. eine Katze in eine Kiste mit einem Gift und verschließt die Kiste, sodass kein Beobachter mehr zugegen sein kann, bleiben zwei Möglichkeiten: Entweder frisst die Katze das Gift und stirbt oder nicht und sie überlebt. Niemand ist mehr in der Lage, zu bestimmen, was mit der Katze geschehen ist.

Laut Quantenmechanik wäre die Katze sogar gar nicht mehr existent, sondern all ihre Teilchen, aus denen sie besteht, hätten sich in unvorhersehbare Wellen aufgeteilt. Erst wenn man die Kiste wieder öffnet, entsteht der so genannte “Kollaps der Wellenfunktion“, d.h. die Wellen müssen wieder zu Teilchen werden, da ein Beobachter aufgetaucht ist.

Wie bewusst sind sich Teilchen?

Hier fragt man sich doch, wie bewusst sich ein Teilchen seines Zustandes ist. Woher weiß ein Teilchen, dass ein Beobachter anwesend ist und nimmt dann die Gestalt an, die der Beobachter erwartet? Sobald sich der Beobachter wieder entfernt – oder wegschaut – werden die Teilchen zu Wellen und somit unberechenbar. Sie könnten also alles sein, d.h. lebendige Katze, tote Katze, ein Huhn, ein Elefant, ein Rasierapparat oder einfach nur ein amorphes Gebilde in allen möglichen Farben.

Das erinnert ein wenig an den Animationsfilm “Toy Story“, in dem die Puppen eines Kindes zum Leben erwachen, sobald das Kind das Zimmer verlässt. Der Cowboy schlägt seine Augen auf und sagt: “Es ist niemand mehr da, wir können uns wieder bewegen!” Durchaus denkbar, selbst wenn es nur eine mögliche und amüsante Variation darstellt, wie sich Wellen verhalten könnten.

Zusammenfassung des verzögerten Auswahl-Experiments

Das verzögerte Auswahl-Experiment (auch als Quanten-Radiergummi-Experiment bekannt) ist ein Gedankenexperiment in der Quantenmechanik, das die Beziehung zwischen Ursache und Wirkung und die Rolle des Beobachters bei der Beobachtung von Quantenphänomenen untersucht.

Das neue Experiment:

  • Lichtquelle: Eine Lichtquelle emittiert ein Photon, das sich als Welle und Teilchen gleichzeitig verhält.
    Halber Silberhalbspiegel: Das Photon trifft auf einen halb versilberten, halb durchlässigen Spiegel.
  • Zwei Pfade: Das Photon kann entweder den Spiegel reflektieren (Weg A) oder durch ihn hindurchgehen (Weg B).
  • Detektor: Hinter beiden Pfaden befinden sich Detektoren, die erfassen können, ob das Photon den Weg A oder B genommen hat.
  • Verzögerte Entscheidung: Im ursprünglichen Experiment wird die Entscheidung, ob die Detektoren den Weg A oder B oder beide gleichzeitig messen sollen, nach dem das Photon den Spiegel passiert hat, getroffen.

Das bedeutet:

  • Interferenzmuster: Wenn die Detektoren beide Pfade gleichzeitig messen (Interferometer-Konfiguration), zeigt das Photon ein Interferenzmuster, typisch für Wellenverhalten.
  • Kein Interferenzmuster: Wenn die Detektoren nur einen Pfad messen (z. B. Weg A), zeigt das Photon kein Interferenzmuster und verhält sich wie ein Teilchen.

Der faszinierende Aspekt des Experiments ist die Möglichkeit, die Messung zu verzögern, nachdem das Photon den Spiegel passiert hat. Laut der Quantenmechanik beeinflusst die spätere Entscheidung, ob man Interferenz oder Teilchenverhalten messen möchte, rückwirkend die Art und Weise, wie sich das Photon bereits am Spiegel verhalten hat.

Delayed Choice Experimente und Kausalitätsverletzungen

Delayed Choice Experimente mit Spiegeln, die Teilchen hin- und herspiegeln, werfen Fragen zu Zeit und zeitlichen Abläufen auf und stellen damit die üblichen Vorstellungen von Zeit und kausaler Abfolge in Frage. Wenn in einem solchen Experiment die Wege des Leerlauflichts stark verlängert wurden, sodass ein Jahr vergeht, bevor ein Photon an einem bestimmten Ort auftaucht, dann würde ein Photon, das in einem dieser Detektoren auftaucht, dazu führen, dass ein Signalphoton ein Jahr früher in einem bestimmten Modus auftaucht. Oder das Wissen um das zukünftige Schicksal des Photons würde die Aktivität des Signal-Photons in seiner eigenen Gegenwart bestimmen.

Sehr interessant, wenn man bedenkt, dass Teilchen plötzlich verschwinden und an einem anderen Ort wieder in Erscheinung treten, unabhängig von Zeit und Raum. Dies hat dazu geführt, anzunehmen, dass die Teilchen durch die Zeit reisen könnten.

Keine dieser Ideen entspricht der üblichen menschlichen Erwartung von Kausalität. Solche Spiegelexperimente stellen nicht nur den gesunden Menschenverstand in Bezug auf die zeitliche Abfolge von Ursache und Wirkung in Frage, sondern gehört auch zu den Experimenten, die die Vorstellung von Lokalität stark angreifen, d.h. die Vorstellung, dass Dinge nur dann miteinander interagieren können, wenn sie in Kontakt sind, wenn nicht durch direkten physischen Kontakt, dann zumindest durch Interaktion durch magnetische oder andere Feldphänomene.

Das ist das Interessante an diesem Experiment, denn die Teilchen, die auch Wellen sein können, bevorzugen demnach eine Unabhängigkeit von Zeit und Raum, sie trotzen diesen Größen.

Die Kopenhager Interpreation und die Everettsche Mehrwelten Interpretation

Das verzögerte Auswahl-Experiment hat zu zahlreichen Interpretationen in der Quantenmechanik geführt:

  • Die Kopenhagener Interpretation sagt, die Messung “kollabiert” die Wellenfunktion des Photons und zwingt es, sich als Teilchen zu verhalten. Die verzögerte Wahl ändert nichts an dieser Interpretation.
  • Die Everettsche Mehrwelten-Interpretation, erklärt, dass alle möglichen Messergebnisse existieren gleichzeitig in verschiedenen Welten. Die verzögerte Wahl “wählt” einfach die Welt, in der die gewünschte Messung stattgefunden hat.
  • Und die Relationale Interpretation meint, dass die Messung den Beobachter und das Photon in eine “relationale” Interaktion verwickelt, die das Ergebnis bestimmt. Die verzögerte Wahl beeinflusst diese Beziehung.

Die dürftige Erklärung der Zweifler

Zweifler erklären, dass diese Experimente zwar interessant seien, aber sie können auf den Alltag nicht angewendet werden, da jeder Mensch nicht nur einen Beobachter darstellt, sondern man die Auswirkungen der Quantentheorie nicht im Alltag wirklich erkennen kann, da beispielsweise immer nur eine Realität wahrgenommen wird und nicht mehrere.

Dies ist auf den ersten Blick richtig, aber bereits eine schlichte Erweiterung des Bewusstseins zeigt, dass nicht nur eine Realität, sondern viele Realitäten existieren. Hier beginnt man die Welt der Quantenmechanik und der Mehrwelt-Theorie praktisch zu betreten.

Nur, weil jemand nicht in der Lage ist, die verschiedenen Realitäten zu erkennen bzw. optisch wahrzunehmen, bedeutet dies nicht, dass sie keinesfalls existieren können. Denn durch die Ermangelung eines aktiv anwesenden Beobachters bewirkt, dass die Realität instabil und mehrmalig in verschiedenen Variationen erscheint. Bemerkenswert ist hierbei, dass es auch andere Experimente gibt, wie beispielsweise Versuche, den Beobachter zu umgehen:

Beispiel:

Jemand befindet sich in einem Wohnzimmer mit verbundenen Augen, lässt aber eine Kamera mitlaufen. Die These hierbei ist, dass kein Beobachter anwesend ist und sich somit der Raum mit all seinen Teilchen, d.h. Sofa, Schrank, Fernseher usw., in Wellen verwandeln müssten. Dies ist jedoch nicht der Fall. Somit gehen manche davon aus, dass die Kamera als Beobachter zählt und verhindert, dass sich die Teilchen in Wellen verwandeln.

Doch eine Kamera ist kein Lebewesen. An diesem Punkt hinkt die ganze Angelegenheit, denn normalerweise müsste die Kamera die Verwandlung der Teilchen zu Wellen filmen können, aber das tut sie nicht. In diesem Kontext existieren zwei Möglichkeiten:

  1. Die Kamera gilt als Beobachter
  2. Die Kamera ist kein Lebewesen und somit kein Beobachter, aber anhand der Anti-Kausalität ist gegeben, dass sich der Beobachter später den aufgezeichneten Film ansehen wird und aus diesem Grund rückwirkend den Raum wieder zu Teilchen verwandelt.

Und genau Punkt 2 ist das, was die Delayed-Choice Quantenradierung ausmacht! Sie geht davon aus, dass die Verwandlung von Wellen zu Teilchen auch von der Zukunft aus beeinflusst werden kann und in der Gegenwart Gegenstand annimmt. Man erinnere sich in diesem Moment wieder an Schrödingers Katze, denn so lange man sich den aufgezeichneten Film mit dem Wohnzimmer nicht anschaut, existiert der Film im Ganzen noch als Wellen.

Erst wenn man sich den Film anschaut (d.h. Schrödingers Kiste), kollabiert die Wellenfunktion und das Wohnzimmer besteht wieder aus Teilchen. Dies bedeutet, auch bei dem Menschen mit den verbundenen Augen mag er in diesem Moment nicht der Beobachter sein, aber er wird es in der Zukunft sein.


Quellen:

Research Gate
Cornell University
Verschränkte Systeme“, Jürgen Audretsch
Wikipedia

Ein Quantenradierer mit verzögerter Wahlmöglichkeit”, Yoon-Ho Kim, R. Yu, S.P. Kulik, und Y.H. Shih,
Abteilung für Physik, Universität von Maryland, Baltimore County, Baltimore, MD 21250, Marlan O. Scully, Fachbereich Physik, Texas A & M University, College Station, TX 77842 und Max-Planck Institut für Quantenoptik, München, Deutschland (eingereicht bei PRL). In diesem Beitrag wird ein von Scully und Drühl 1982 vorgeschlagenes “Delayed Choice Quantum Eraser”-Experiment vorgestellt. Die experimentellen Ergebnisse demonstrieren die Möglichkeit, durch Quantenverschränkung gleichzeitig sowohl teilchen- als auch wellenförmiges Verhalten eines Quanten zu beobachten. Die “Welcher-Weg”- oder “Beide-Weg”-Information eines Quants kann von seinem verschränkten Zwilling sogar nach der Registrierung des Quants gelöscht oder markiert werden.

2024-04-22

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