Instantane Synchronisation in der Quantentheorie
Wird sind es aus der Alltagserfahrung gewohnt physikalische Systeme vollständig beschreiben zu können.Experimente zeigen aber, das dies für Systeme in der Größe von Atomen so nicht mehr zutrifft.
Kleine Teilchen werden vielmehr durch Wellen der Aufenthaltswahrscheinlichkeit beschrieben.
Das gilt für den Ort an dem sich ein Teilchen befindet genauso wie für die Eigenschaften eines Teilchen wie sein Impuls, sein Drehimpuls oder - im Fall des Lichtes - der Polarisierung der Photonen.
In der Quantentheorie gibt es das Phänomen, das Teilchen entstehen können, deren physikalische Eingenschaften unbekannt sind, die aber an Bedingungen für ein Kollektiv gebunden sind. Und damit wird situationsbedingt ein Teilchen an einem möglicherweisse sehr weit entfernten Ort festgelegt
Diese Verschränkung ist, so wurde gezeigt, eine instantane Syncronisation zwischen den zwei Photonen egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Bisher ist man davon Ausgegangen, das man wegen des zufälligen Ausgang des Experiments welches die Verschränkung auflöst keine Information Übertragen kann, weil man Photonen und andere quantenmechanische Teilchen prinzipiell nicht kopieren kann!
Um die Information zu übertragen muss man mit einem Photon auskommen.
Was bisher nie versucht worden ist, Information aus einem Photon mit den Mitteln der Quantenmechanik auszulesen, ohne eine 'Messung' durchzuführen. Wenn Alice ihre Nachricht dadurch sendet, das sie ihr verschränktes Photon bei einer 1 horizontal vermisst. Sie wird dann mit 50% Chance feststellen, das beide Photonen horizontal polarisiert sind und mit 50% Chance feststellen, das beide Photonen vertikal polarisiert sind. Will eine Alice eine 0 senden, dann wird Sie ihr Photon mit einer diagonalen Polarisation Messen und damit dann 50:50 feststellen, ob das Photon von links unten nach rechts oben polarisiert ist oder rechts unten nach links oben, aber eben auch das Photon bei Bob in diese diagonale Konfiguration bringen.Wie kann Bob, der Empfänger der Nachricht, diese nun entschlüsseln. Mit einem Detektor für Polarisation jedenfalls nicht, das ist mathematisch ausgeschlossen worden, weil Bob das Photon nicht Kopieren kann um dann einen statistischen Test zu machen. Könnte er das Photon replizieren, würde er es so lange abwechseln horizontal oder diagonal vermessen bis es sich durch eine Abweichende Messung verrät, wie es von Alice konditioniert wurde.
Was aber wenn Bob anstelle eines Polarisationsfilters im obigen Versuchsaufbau welches eine Messung am Photon vornimmt, ein Mach Zehnder Interferometer mit Quantenradierer aufbaut?
Wenn Alice eine 1 sendet, dann konditioniert sie ihre Photonen, und damit auch die Photonen bei Bob, auf horizontale oder vertikale Polarisation. Sie kann zwar nicht festlegen welche Polarisation sie haben will, das ist aber auch völlig Egal. Die Photonen werden im Interferometer entweder den oberen oder den unteren Weg nehmen. Es wird insbesondere keine Interferenz auftreten und die Photonen erreicht den Quantenradierer und 50% danach den Detektor. Was passiert wenn Alice eine 0 sendet und ihre Potonen und damit auch die vonn Bob diagonal konditioniert?
Dann wird die Wellenfunktion Bobs Photon am Beamsplitter 50:50 aufsplitten und das Photon wird am Punkt des Diagonalem Polarisationsfilter welcher als Quantenradirer für die welcher Weg Information des Interferometers mit sich selbst Interferieren. Ist das Interferometer auf Auslöschung abgeglichen, so werden die Photonen den Detektor an orten destruktiver Interferenz nie erreichen und Bob empfängt die 0.
Bob wird also 0 und 1 mit einer Irrtumswarscheinlichkeit von 1 : 2 hoch Anzahl der Photonen pro Bit erkennen. Wegen des thermischen rauschen haben auch klassische Übertragungssysteme eine Irrtums- und Ausfallwahrscheinlichkeit. Damit können etablierte Netzwerkprotokolle hervorragend umgehen.
Krass, was für Konsequenzen hätte das?
Zum einen wäre die Besiedlung des Weltraums um vieles Leichter. Die Roundtrip Zeiten auch nur zu anderen Planeten sind so lang, das keine Dialogkommunikation mehr möglich ist. Wenn Sie ihre Verwandten auf dem Mars anrufen, dann können sie zwischen der Frage "Hallo Tom wie geht es dir" und der Antwort "Danke gut und dir" kann man getrost Mittag essen, weil dafür braucht man in der Regel keine 40 Minuten. Ein Ping zu den Voyager Sonden - den am weitesten entfernten funktionsfähigen Computersystemen - dauert über einen Tag.Technisch ist dafür ein Mittlersystem nötig, welches von einem Ort der von beiden Orten zwischen denen eine Verbindung aufgebaut werden soll jeweils strahlen verschränkter Photonen entsendet. Das kann im Fall des Sonnensystems zum Beispiel Sonden sein, welche sich auf der Achse der Umlaufbahn der Planeten um die Sonnen von jener entfernen. Mit je zwei solcher Sonden - eine erzeugt 2 strahlen - eine Strahl wird direkt der andre Strahl über den Umweg über die andere Sonde ins Ziel gelenkt - ist eine Stahlführung möglich, welche gleiche Laufzeiten zu zwei Planeten haben.
Und für das Physikalische Weltbild?
Aber so etwas würde unser Physikalische Weltbild in einem Masse durcheinanderbringen, wie es bisher wohl nur bei dem Versuch von Michelson und Morley gewesen ist. Die Fragen nach dem Wesen Raum und Zeit, Zukunft und Vergangenheit und der Kette der Kausalität müsste komplett neu gestellt und beantwortet werden. Möglich das so eine Experiment den Weg weist zur Vereinheitlichung von Quanten oder Relativitätstheorie. Den beide Theorien sind sehr gut mit Beobachtungen untermauert, aber passen einfach nicht wirklich zusammen. Hier zur Erinnerung: Was machten Michelson und Morly?Nachtrag 13.02: Da ich nach einer Formalen Beschreibung gefragt worden bin, hier die Teilaspekte.
In Ermangelung einer vollständigen formalen Beschreibung wollte ich darauf eigendlich verzichten.
Formales
Klar ist, aus dem BBO kommt |⟲>a|⟳>b + |⟳>a|⟲>b
Dann kann Allice eine Messung machen. Enweder stellt sie die Frage H oder V, dann kollabiert die Wellenfunktion (bis auf die Phase) 50:50 zu |↑>a |↑>b oder |→>a|→>b oder aber sie stellt die Frage nach der Diagonalen Polarisierung, dann passiert das gleich mit |⤤>a|⤤>b oder |⤣>a|⤣>b
Das alles läst sich sehr geschmeidig mit 4x4 Verktoren und Matrizen komplexer Zahlen zeigen unter verwendung von
|⟳>=|↑>-i |→> und |⟲>=|↑>+i |→> sowie der Drehmatritze.
Nachdem Alice ihre Messung gemacht hat habe ich im Fall einer 0 also |⤤>a|⤤>b oder |⤣>a|⤣>b und im Fall einer 1 |↑>a |↑>b oder |→>a|→>b wobei Alice aber keine Kontrolle sondern nur Kenntnis darüber hat, welche alternative kommt. So weit so klar!
Das Qunatenradiererexperiment am Mach Zehnder Interferometer für sich betrachtet funktioniert mit einzelnen Photonen und liefert bei einem Photon |↑> oder |→> keine Interferenz ... also eine 1 und bei |⤤> oder |⤣> kommt Interferenz zu Stande, die welle kann sich (entsprechende Justierung vorausgesetzt) Aufheben und ich bekomme die 0. Auch das ist unstrittig und kann an vielen Stellen nachgelesen oder als Simulation betrachtet werden. Den versuch konnte ich im Studium nicht mehr machen, das hat man später entdeckt. (Ist im Grunde nur die Bestätigung auf Einzelteichenbasis was das klassische EM Feld in der Anordnung macht.)
Und jetzt kommt der Knackpunkt: Was passiert bei der Messung also der Dekoherenz! Der Detektor selber besteht ja auch wieder aus Atomaren Teilchen ... Das konnte oder wollte mir bisher keiner wirklich Formal begründen, stattdessen kommt da immer irgendwie eine fast metaphysisch zu nennende Beschwörung des "Messens". In keiner Formalen Beschreibung wirst du finden, das der eine Arm etwas länger ist als der andere - obwohl das aus Toleranzgründen immer der Fall ist - und eine Formale Beschreibung des übriggebliebenen Photons.
Wird aus |↑>a |↑>b nach dem a den Detektor erreicht hat b zu einem simplen |↑>. Wenn ja, dann funktioniert mein WARP-TCP, wenn nicht gibt es was interessantes über Dekoherenz zu lernen!
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