Quantenverschränkung

Die Arbeit, die Einstein, Podolsky und Rosen 1935 vorlegten, sollte zeigen, dass die Quantenmechanik unvollständig ist: Zwei Teilchen, gemeinsam präpariert und danach beliebig weit getrennt, trügen korrelierte Eigenschaften, und eine Messung am einen lege die des anderen augenblicklich fest. Einstein sprach von „spukhafter Fernwirkung“. Dreißig Jahre lang ließ sich der Streit nicht entscheiden. 1964 fand John Bell, ein nordirischer Physiker am CERN, eine Ungleichung, der jede lokal-realistische Theorie gehorchen muss — und die Quantenmechanik hält sich nicht daran. Aspect (1982), Zeilinger (ab den 1990er Jahren) und, am schärfsten, das schlupflochfreie Delfter Experiment von 2015 haben es gemessen: Die Natur verletzt die Bellsche Ungleichung. Die Welt ist nichtlokal korreliert. Einstein hatte recht damit, dass die Quantenmechanik diese Eigenschaft besitzt — und unrecht damit, sie deshalb zu verwerfen.

Verschränkung ist eine Quantenkorrelation zwischen Systemen, für die es klassisch kein Gegenstück gibt. Verschränkt heißen zwei Teilchen, wenn sich ihr gemeinsamer Zustand nicht als Produkt zweier Einzelzustände schreiben lässt: Messungen am einen hängen statistisch mit Messungen am anderen zusammen, und wie sie zusammenhängen, entscheidet die Wahl der Messbasis. Der Standardfall ist ein Paar Spin-½-Teilchen im Singulettzustand |ψ⁻⟩ = (|↑↓⟩ − |↓↑⟩)/√2. Misst man den Spin des einen längs einer beliebigen Achse, fällt das Ergebnis mit 50 zu 50 aus; misst man den anderen längs derselben Achse, kommt mit Sicherheit das Gegenteil heraus, gleichgültig wie weit die beiden auseinander sind. Bei verschiedenen Achsen hängen die Wahrscheinlichkeiten vom eingeschlossenen Winkel ab — und sie verletzen die Bellschen Ungleichungen, denen jede lokale Theorie verborgener Variablen genügen müsste. Genau das besagt Bells Theorem von 1964: Keine lokal-realistische Theorie kann sämtliche Vorhersagen der Quantenmechanik reproduzieren. Die schlupflochfreien Experimente von 2015 (Hensen u. a., Giustina u. a.) schlossen die Schlupflöcher zur Lokalität und zur Detektion gleichzeitig; das gilt heute als endgültige Widerlegung des lokalen Realismus, und 2022 ging der Nobelpreis an Aspect, Clauser und Zeilinger. Signale schneller als das Licht erlaubt Verschränkung dennoch nicht: Für sich allein betrachtet ist das Resultat auf der einen Seite reiner Zufall, bloßes Rauschen; sichtbar wird die Korrelation erst, wenn beide Seiten ihre Aufzeichnungen vergleichen — und das geht nur mit Lichtgeschwindigkeit. Die Kausalität bleibt also praktisch unangetastet, auch wenn sich der Mechanismus dahinter klassisch nicht begreifen lässt. Erzeugt wird Verschränkung durch Wechselwirkung, zerstört durch Dekohärenz, also durch Verschränkung mit der Umgebung, über deren unbeobachtete Freiheitsgrade die Spur gebildet wird. Die Quanteninformationstheorie behandelt sie als Ressource — messbar, übertragbar, gegeneinander aufrechenbar — und misst sie über die Verschränkungsentropie.