Schlagwort-Archive: Überlagerung

Ehernes Gesetz der Quantenphysik ausgetrickst

 

Blick in eine Ionenfalle Foto: C. Lackner/IQOQI
Blick in eine Ionenfalle
Foto: C. Lackner/IQOQI

Was nach den Regeln der Quantentheorie scheinbar nicht erlaubt ist, haben Physiker der Universität Innsbruck nun im Labor realisiert. Im Prototypen eines Quantencomputers konnte ein Team um Philipp Schindler, Thomas Monz und Rainer Blatt eine Quantenmessung vollständig rückgängig machen. Der Trick gelang ihnen mit Hilfe eines Rechenschemas für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern.

Schon Generationen von Physikern beschäftigten sich mit Messungen in quantenmechanischen Systemen. Grund dafür sind deren nur schwer begreifliche Eigenschaften. „So ist eine Messung in der Quantenwelt nicht deterministisch“, sagt Philipp Schindler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Auch wenn man den Zustand eines Quantenobjekts sehr genau kennt, lässt sich das Ergebnis einer Messung nicht vorhersagen.“ Wird ein Quantensystem aber gemessen, so ändert sich dadurch auch der Zustand des Systems. So liefert eine wiederholte Messung mit Sicherheit immer das gleiche Ergebnis. „Eine Messung verändert also das System unwiderruflich“, ergänzt Thomas Monz. In einem Prototypen eines Quantencomputers haben Physiker der Universität Innsbruck um Rainer Blatt nun mit Hilfe eines Fehlerkorrektur-Algorithmus eine Messung wieder rückgängig gemacht.

Auf den ersten Blick widerspricht dies den Grundlagen der Quantenmechanik, die genau das explizit verbietet. Bei genauerer Betrachtung löst sich der Widerspruch aber auf: Quanteninformation kann zum Beispiel in einem Teilchen als Überlagerung von zwei Zuständen („null“ und „eins“) gespeichert werden. Durch eine Messung wird dieses Quantenbit entweder auf „null“ oder „eins“ gesetzt und die Information aus der Überlagerung geht verloren. Durch quantenmechanische Verschränkung mehrerer Teilchen, lässt sich aber die Quanteninformation eines Teilchens auch auf mehrere Teilchen verteilen. Genau dies machen die Physiker im Labor der Universität Innsbruck. „Wir verteilen mit dem Fehlerkorrektur-Algorithmus die Quanteninformation eines einzelnen Teilchens auf drei Teilchen in einem Quantenregister. Die Messung erfolgt nur auf einem der drei Teilchen“, sagen Schindler und Monz. „Der Korrektur-Algorithmus ist dann in der Lage, die Information des gemessenen Teilchen mithilfe der zwei verbleibenden Teilchen zu rekonstruieren.“ Damit machen die Tiroler Physiker ihre Messung an dem einen Teilchen wieder rückgängig und umgehen so ein ehernes Gesetz der Quantenphysik.

Quelle: idw
Publikation: Undoing a quantum measurement. Philipp Schindler, Thomas Monz, Daniel Nigg, Julio T. Barreiro, Esteban A. Martinez, Matthias F. Brandl, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt. Physical Review Letters 110, 070403 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.070403

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Wie ein Spiegel quantenmechanische Überlagerung erzeugt

Kommt das Licht direkt vom Atom oder von seinem Spiegelbild? Ein Spiegel erzeugt eine quantenmechanische Überlagerung. Copyright: TU Wien

Wer vor einem Spiegel steht, hat sicher kein Problem, sich selbst von seinem Spiegelbild zu unterscheiden. Auf unsere Bewegungsmöglichkeiten hat der Spiegel keinen Einfluss. Bei quantenphysikalischen Teilchen ist das komplizierter. In einer aufsehenerregenden Forschungsarbeit in den Laboren der Universität Heidelberg gelang es Heidelberger Physikern gemeinsam mit Forschern der Technischen Universität München sowie der Technischen Universität Wien, ein Gedankenexperiment von Einstein im Labor weiterzuführen und den Unterschied zwischen einzelnen Teilchen und ihren Spiegelbildern verschwimmen zu lassen. Die Ergebnisse des Experimentes wurden nun im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Wenn ein Atom spontan in eine bestimmte Richtung ein Lichtteilchen aussendet, erfährt es einen Rückstoß in die Gegenrichtung. Misst man das Lichtteilchen, kennt man daher auch den Bewegungszustand des Atoms. Das Forscherteam platzierte Atome wenige Millionstel Meter vor einem vergoldeten Spiegel – in diesem Fall gibt es für ein Lichtteilchen, das zum Beobachter gelangt, zwei mögliche Wege: Es kann direkt vom Atom zum Beobachter gekommen sein, oder es wurde in die entgegengesetzte Richtung ausgesandt, ist auf den Spiegel getroffen und dann zum Beobachter gelangt. Wenn man zwischen diesen beiden Fällen nicht unterscheiden kann, befindet sich das Atom in einer Überlagerung beider Wege.

„Bei einem sehr kleinen Abstand zwischen Atom und Spiegel kann zwischen den beiden Möglichkeiten ganz prinzipiell nicht mehr unterschieden werden“, erklärt Jiri Tomkovic, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Markus Oberthaler an der Universität Heidelberg. Ursprungsteilchen und Spiegelbild sind physikalisch nicht mehr voneinander zu trennen. Das Atom bewegt sich gleichzeitig auf den Spiegel zu und vom Spiegel weg. Was paradox klingt und für makroskopische Teilchen unmöglich ist, kennt man in der Quantenphysik schon lange.

„Diese Unsicherheit über den Bewegungszustand des Atoms bedeutet nicht, dass wir nicht genau genug gemessen haben“, betont Prof. Dr. Jörg Schmiedmayer von der TU Wien. „Das ist eine grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik: Das Teilchen befindet sich in beiden Bewegungszuständen gleichzeitig, es ist in einem Überlagerungszustand.“ Im Experiment werden die Bewegungszustände, die das Atom gleichzeitig einnimmt – hin zum Spiegel und weg vom Spiegel – durch sogenannte Bragg-Streuung an einem Gitter aus Laserlicht wieder kombiniert. Dadurch lässt sich beweisen, dass sich das Atom tatsächlich in einem Überlagerungszustand befand.

Dies erinnert an das berühmte Doppelspaltexperiment, in dem ein Teilchen auf eine Platte mit zwei Öffnungen geschossen wird – und aufgrund seiner quantenmechanischen Welleneigenschaften durch beide Öffnungen gleichzeitig tritt. Schon Einstein machte sich darüber Gedanken, dass das nur dann möglich ist, wenn durch keine mögliche Messung entschieden werden kann, welchen Weg das Teilchen genommen hat, auch nicht durch Vermessung von winzigen Bewegungen der Doppelspalt-Platte. Sobald durch irgendein Experiment auch nur theoretisch feststellbar wäre, für welchen Weg sich das Teilchen entschieden hat, ist es vorbei mit der Quanten-Überlagerung. „In unserem Fall spielen die Lichtteilchen eine ähnliche Rolle wie ein Doppelspalt“, meint Prof. Oberthaler von der Universität Heidelberg. „Wenn das Licht prinzipiell darüber Auskunft geben kann, in welche Richtung sich das Atom bewegt, dann ist auch der Zustand des Atoms festgelegt. Nur wenn das grundsätzlich unentscheidbar ist, befindet sich das Atom in einem Überlagerungszustand, der beide Möglichkeiten vereint.“ Und genau diese Unentscheidbarkeit wird durch den Spiegel gewährleistet.

Auszutesten, unter welchen Bedingungen solche Quanten-Überlagerungen zu erkennen sind, ist eine wichtige Forschungsfrage in der Quantenphysik: Nur so lassen sich diese Effekte auch gezielt nutzen. Die Idee für dieses Experiment wurde von Jörg Schmiedmayer und Markus Oberthaler bereits vor einigen Jahren entwickelt. „Das Faszinierende daran ist“, so die Forscher, „die Möglichkeit, einen Überlagerungszustand einfach durch die Anwesenheit eines Spiegels zu erzeugen, ganz ohne Eingriff durch äußere Felder.“ Das Teilchen und sein Spiegelbild geraten ganz von selbst in eine quantenphysikalische Beziehung zueinander – ganz ohne aufwendiges Zutun der Wissenschaftler. (Quelle: idw. Bild: Kommt das Licht direkt vom Atom oder von seinem Spiegelbild? Ein Spiegel erzeugt eine quantenmechanische Überlagerung. Copyright: TU Wien)

Das neue Gesicht der Wirklichkeit

Der Theologe Adolf von Harnack (1851- 1930) hat die theoretischen Physiker als die wahren Philosophen des 20. Jahrhunderts bezeichnet. Die Notwendigkeit zu philosophieren ergab sich vor allem durch die Schlüsselposition, die der Beobachter in der Quantentheorie einnimmt. Im täglichen Leben wird niemand behaupten, dass der Mond nur dann am Himmel steht, wenn wir ihn anschauen. Aber in der Mikrowelt entscheidet sich das Ergebnis eines Experiments tatsächlich erst durch die Messung. Oder anders herum: Bevor eine quantenphysikalische Größe gemessen wird, hat sie keinen bestimmten Wert. Beispielsweise kann ein Elektron in einem von der Umgebung isolierten Atom sich gleichzeitig auf zwei verschiedenen Kreisbahnen um den Kern bewegen [man spricht von der ‘Überlagerung der Zustände’]. Damit besitzt es keinen bestimmten Energiewert – solange, bis der Physiker eine Messung vornimmt. Misst man direkt nach dieser Messung das Elektron noch einmal, kommt wieder der Wert aus der ersten Messung heraus. Denn durch die erste Messung ist der vorher unbestimmte Zustand eindeutig festgelegt worden.

In modernen Experimenten ist es bereits gelungen, Atome zu erzeugen, die sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befinden. Unlängst gelang es sogar Forschern im US-amerikanischen Stony Brook, einen supraleitenden Strom zu erzeugen, der gleichzeitig in zwei verschiedenen Richtungen floss. Solche Versuche sind besonders knifflig, da man eine Möglichkeit finden muss, die überlagerten Zustände auf indirektem Weg nachzuweisen, denn eine direkte Messung würde die Überlagerung aufheben.

Der Einfluß des Beobachters ist in der Quantenwelt entscheidend. Wie aber sein „Eingreifen“ genau zu verstehen ist und wo die Grenze zwischen Alltags- und Quantenwelt tatsächlich liegt, ist bis heute nicht geklärt. Besitzt der Beobachter eine Sonderstellung, die ihn über die Materie erhebt, oder ist er selbst eine Überlagerung quantenmechanischer Zustände? In den Anfängen der Quantentheorie wurde von einigen Wissenschaftlern tatsächlich die „Geist-über-Materie“- Interpretation vertreten: das menschliche Bewusstsein sei, so behaupteten sie, nicht den Regeln der Quantenmechanik unterworfen, da diese nur für Materie gälten. Auf Grund dieser Sonderstellung könnten wir durch bloße Beobachtung bewirken, dass Objekte von unbestimmten Zuständen in ein konkretes Dasein treten. Solch eine Erklärung würde aber bedeuten, dass Messapparate alleine keine eindeutigen Ergebnisse bei einem Experiment produzieren könnten. Es wäre immer ein menschlicher Beobachter nötig, der diese Ergebnisse registriert und sie dadurch erst von der quantenmechanischen Überlagerung in die Eindeutigkeit der Alltagswelt überführt. Diese Interpretation der Quantenphysik hätte natürlich bizarre Konsequenzen: Ein Wissenschaflter könnte dann nämlich ein Messprotokoll – ohne es anzuschauen – vervielfältigen und an Physikinstitute in aller Welt verschicken. Die Ergebnisse auf den Papieren blieben solange vieldeutig, bis der erste Physiker sein Exemplar des Protokolls angesehen hätte. In diesem Augenblick wären auch die Ergebnisse auf allen anderen Kopien wie durch Zauberei festgelegt. Ein Effekt, der dem Fall der Zwillingsphotonen ähnelt, diesmal aber Objekte aus der Alltagswelt betreffen würde!

Einen noch phantastischer klingenden Vorschlag zur Interpretation des Messprozesses machte 1957 der amerikanische Physiker Hugh Everett. Er ging davon aus, dass der Beobachter sich in mehrere Kopien seiner selbst aufspaltet und dadurch jeden möglichen Ausgang eines Experiments sieht. Der Beobachter merkt nur deshalb nichts davon, weil jede Kopie nach der Beobachtung in ihrem eigenen, parallel existierenden Universum weiterlebt. Da für jedes denkbare Ergebnis jeder quantenmechanischen Wechselwirkung Kopien des jeweiligen Beobachters entstehen, existieren Everetts Theorie zufolge eine fast unendliche Zahl paralleler Universen nebeneinander.

Umstritten ist im Rahmen dieser Theorie die Frage, ob wir andere Universen besuchen könnten. Der britische Physiker David Deutsch bejaht dies und kommt zu dem überraschenden Schluss, dass Zeitreisen in Everetts „Viele-Welten-Theorie“ ohne Widersprüche möglich wären. Eines der wichtigsten Argumente gegen Ausflüge in die Vergangenheit ist nämlich, dass der Zeitreisende in der Vergangenheit seine eigene Geburt verhindern und somit ein Paradoxon erzeugen könnte. Dieses Argument ist aber in einem „Multiversum“ nicht stichhaltig: Denn ein Zeitreisender könnte sich in die Vergangenheit jedes parallelen Universums begeben und dort die Geburt seines „Doubels“ verhindern, ohne dass ein logischer Fehler auftreten würde.

Die meisten Physiker sind der Überzeugung, dass die beiden vorgestellten extremen Sichtweisen bei der Interpretation der Quantentheorie noch nicht der Weisheit letzter Schluss sind. Und letztendlich ist dies eben eine philosophische Diskussion. Bereits Niels Bohr vertrat die pragmatische Sichtweise, die Physik könne lediglich Aussagen über Dinge machen, die der Messung zugänglich sind. Über den Rest empfahl er zu schweigen. Oder, wie Wolfgang Pauli es formulierte: „Ob etwas, worüber man nichts wissen kann, doch existiert, darüber soll man sich … doch wohl ebensowenig den Kopf zerbrechen, wie über die alte Frage, wieviele Engel auf einer Nadelspitze sitzen können.“ (Quelle: Themenheft »Entdeckung des Zufalls«, BMBF, Dezember 2000)

Eine völlig neue Erklärung für das rätselhafte Verhalten der Photonen und für andere Phänomene der Quantenphysik findet sich im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen. Dort wird wohl zum ersten Mal der physikalische Nachweis geführt, dass Bewusstsein eine Energieart ist, auf der alles was existiert, aufbaut. Mit dieser Erkenntnis bekommt unsere Wirklichkeit eine neues Gesicht.

Wie ein Magnetresonanztomograph (MRT) unsere geheimsten Gedanken verrät

Wissen Sie was ein MRT kann? Hier jetzt ein Bericht, wie er unsere geheimsten Gedanken verrät!

München – Mit einem Magnetresonanztomographen (MRT) blicken Forscher von Siemens und der Harvard-Universität ins menschliche Gehirn und schauen ihm beim Denken zu. Die Psychologen erkennen dadurch, wie die Nervenzellen des Gehirns während des Sehpro­zesses arbeiten. Allgemein zeigten Wahrnehmungsexperimente, dass das Gehirn optische Signale sehr wohl registriert, obwohl sie dem Bewusstsein nicht zugänglich sind. Die Forscher bewiesen nun, dass es einen Informationsfluss zwischen Gehirnzellen und Augen gibt, der dem Bewusstsein verborgen bleibt, wie sie in der renommierten Zeitschrift Psychological Science schreiben. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) betrachtet den Stoffwechsel im Gehirn und erstellt durch Überlagerung mit den Bildern eines MRT-Geräts eine Karte erhöhter Aktivität. Feuernde Neuronen brauchen mehr Sauerstoff, deshalb fließt in aktive Areale mehr Blut. Hier erhöht sich die Konzentration von sauerstoffreichem gegenüber sauerstoffarmem Blut, was sich im MRT als Signaländerung bemerkbar macht. Die eigentliche Messgröße ist das Eisen im Hämoglobin der roten Blutkörperchen.

Bei den Experimenten zeigten die Forscher von Siemens Corporate Research in Princeton im US-Staat New Jersey und der Harvard-Universität ihren im MRT liegenden Versuchspersonen für kurze Zeit einfache Muster und überlagerten die Sinneseindrücke mit weiteren kurzen optischen Reizen. In den Bildern des MRT war unabhängig von den Aussagen der Versuchspersonen ihre tatsächliche Wahrnehmung in bestimmten Gehirnarealen abzulesen. Die räumliche Auflösung des Siemens-MRT mit drei Tesla Magnetfeldstärke beträgt dabei etwa einen Kubikmillimeter.

Die fMRT ist in jüngster Vergangenheit ins Blickfeld gerückt, weil mit Hilfe der Technik neue Lügendetektoren auf den Markt kommen sollen. Die Siemens-Forschungen sind bislang reine Grundlagenforschung, eröffnen aber eine Perspektive für handfeste Anwendungen. Bewusste Falschaussagen von Testpersonen wären durch Vergleiche von fMRT-Bildern objektiv überprüfbar. Siemens-Entwicklungen könnten auf vielfältige Weise von dem präzisen Blick ins Gehirn profitieren. Weil mit fMRT überprüft werden kann, welche Entscheidungen Menschen treffen und auch Aussagen gemacht werden können, wie sie sich dabei fühlen, könnten solche Studien helfen, bessere Hörgeräte zu konstruieren. Ältere Personen haben oft Schwierigkeiten, sich an die Sinneseindrücke mit einem neuen Hörgerät zu gewöhnen, jüngeren Menschen fällt das dagegen leichter. Mit fMRT ließe sich klären, ob dabei Wahrnehmungsphänomene im Gehirn eine Rolle spielen oder physiologische Faktoren, die sich mit dem Alter ändern.
Quelle: pressetext.de

Kommentar:
Auch wenn man dem Gehirn beim Denken zuschauen kann, bedeutet das nicht, dass es der Ursprung des Bewusstseins ist.
Bewusstsein existiert vielmehr unabhängig vom Gehirn. Dies wird im Sachbuch mit dem Titel “Unsterbliches Bewusstsein” bewiesen. ISBN 978-3-837-04351-8 (Neuerscheinung Juli 2008).

Link: Gedankenlesen per Gehirnscan

Wie kann “Schrödingers Katze” gleichzeitig tot und lebendig sein?

Wissen Sie Bescheid über Schrödingers Katze? Hier jetzt die Erklärung!
Gedankenexperiment

Menschen spalten sich auch ohne Klonen immer wieder auf und verdoppeln sich. Danach leben beide Exemplare der Gattung Homo sapiens in verschiedenen Welten. Zumindest glaubte das zu seinen Lebzeiten Hugh Everetts, ein bedeutender Quantenphysiker und mit ihm zahlreiche seiner Kollegen, denen man keineswegs nachsagen kann, sie seien Spinner. Sie nennen das dann die “Viele Welten Interpretation”. Aber es kommt noch besser.

Die “Viele Welten Interpretation” der Quantenmechanik, hängt mit dem wohl berühmtesten Gedankenexperiment der Physik zusammen, bekannt unter dem Namen “Schrödingers Katze”.

In diesem Experiment stellt man sich vor, dass eine Katze zusammen mit einer teuflischen Apparatur in eine Stahlkammer gesperrt wird. In der Apparatur befindet sich eine winzige Menge radioaktive Substanz, die mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% innerhalb einer Stunde zerfällt. Sollte die radioaktive Substanz zerfallen, dann tötet die Apparatur die Katze. Andernfalls bleibt diese am Leben.

Die Katze ist nach einer Stunde entweder lebendig oder tot. So sagt uns der gesunde Menschenverstand.

Dass der gesunde Menschenverstand sich irrt, sagen dagegen Everetts Anhänger. Gemäß der Mathematik der Quantenmechanik befindet sich die Katze nach einer Stunde in einem Zustand, den die Quantentheorie “Überlagerung” nennt. Sie ist mausetot und gleichzeitig lebendig. Das steht im krassen Widerspruch zu dem was wir tatsächlich sehen würden.

Weil die Rechnungen der Quantenmechanik sich aber sonst als richtig erwiesen haben (ohne Quantenmechanik keine Computer!), versucht Everetts den Widerspruch aufzulösen.

Everetts behauptet in seiner “Viele Welten Interpretation” des Gedankenexperiments, dass es nach einer Stunde zwei Katzen gibt, eine tote und eine zweite, die lebendig ist. Nach seiner Meinung hat sich die Welt aufgespalten in zwei verschiedene Welten. Die tote Katze befindet sich in der einen Welt und die lebendige Katze in der anderen.

Wenn wir als Beobachter versuchen festzustellen, ob die Katze tot oder lebendig ist, spalten wir uns ebenfalls auf. In der einen Welt sehen wir die Katze tot, in der anderen lebendig.

Mit dem oben dargestellten ist die sogenannte Schrödinger Katze und die Viele Welten Interpretation von Hugh Everetts der Ausgangspunkt für das Romanprojekt “Professor Allman“.

Die Aufspaltung des Universums nach der Viele-Welten-Theorie und ein vom Gehirn unabhängig existierendes Bewusstsein garantieren den freien Willen des Menschen. Mehr dazu im Sachbuch mit dem Titel “Unsterbliches Bewusstsein” ISBN 978-3-837-04351-8 (Neuerscheinung Juli 2008).

Das Bild basiert auf dem Bild Schrödinger cat.png aus
der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der
GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Der Urheber des Bildes