Quanten-Nichtlokalität

Die Quanten-Nichtlokalität ist ein Schlagwort aus der Quantenphysik, welches mögliche Fernwirkungen zwischen zwei (oder mehreren) räumlich getrennten physikalischen Systemen auf quantenmechanischer Ebene beschreibt.

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Einleitung

Um den Begriff zu verstehen, muss zunächst geklärt werden, was unter bloßer Nicht-lokalität bzw. Lokalität zu verstehen ist. Prinzipiell geht es hierbei um die Frage, ob oder unter welchen Bedingungen ein Ereignis ein anderes Ereignis beeinflussen kann. Unter Ereignis versteht man in der Physik einen beliebigen physikalischen Vorgang, der zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort stattfindet. Die Beantwortung dieser Frage fällt in den unten ausgeführten physikalischen Theorien jeweils unterschiedlich aus. Für den Laien ist das Besondere an der Quanten-Nichtlokalität schwierig nachzuvollziehen, was insbesondere seinen Grund darin findet, dass das Prinzip der Lokalität erst durch die spezielle Relativitätstheorie aufgestellt wurde. Ohne die Relativitätstheorie erscheint die Quanten-Nichtlokalität gegenstandslos.

Lokalität in der Newtonschen Physik

In der Klassischen Physik bzw. der Newtonschen Mechanik wird diese Fragestellung (nämlich wann welche Ereignisse sich beeinflussen können) nicht explizit untersucht, jedoch ergibt sich als direkte Folge der Newtonschen Grundannahmen (absolute Zeit, absoluter Raum usw.), dass prinzipiell jedes Ereignis jedes andere beeinflussen kann. Mit anderen Worten, es sind beliebige Fernwirkungen möglich.

Lokalität in der Speziellen Relativitätstheorie

In der Speziellen Relativitätstheorie Einsteins wurden die Newtonschen Begriffe von Raum und Zeit modifiziert, sodass eine Neubeantwortung obiger Fragestellung interessant wurde. Dabei hat sich gezeigt, dass es mitunter Ereignisse geben kann, von denen man ausgeht, dass sie sich prinzipiell nicht beeinflussen können. Das sind z. B. Paare von Ereignissen, die sich nicht durch einen Lichtstrahl verbinden lassen, denn in der speziellen Relativitätstheorie wird die Lichtgeschwindigkeit als oberste Grenzgeschwindigkeit angesehen.

Beispiel. Ein Ereignis A, hier und jetzt auf der Erde, und ein Ereignis B, welches ein Jahr später auf Alpha Centauri stattfindet, können nicht durch einen Lichtstrahl verbunden sein, da Alpha Centauri vier Lichtjahre entfernt liegt und der Lichtstrahl nach einem Jahr Alpha Centauri noch nicht erreicht hat. Da ein Einfluss – gleich welcher Art – nicht schneller als Licht sein kann, können sich A und B auch nicht gegenseitig beeinflussen. Physiker sprechen hierbei von einer raumartigen Trennung der Ereignisse A und B. Man sagt auch, dass das Ereignis B für das Ereignis A nicht-lokal ist.

Es ist eine fundamentale Aussage der (speziellen) Relativitätstheorie, dass die Kausalität, also die strenge Abfolge von Ursache und Wirkung, nur dann erhalten bleibt, wenn sich die Ereignisse A und B nicht gegenseitig beeinflussen können. Da man die Kausalität nicht aufgeben möchte, akzeptiert man eher das Vorhandensein von sich-nicht-beeinflussbaren Ereignissen. Man formuliert daher in der speziellen Relativitätstheorie das Prinzip der Lokalität: Nur lokale Ereignisse können einen physikalischen Vorgang beeinflussen.

Lokalität in der Quantentheorie

In der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik sieht die Situation wieder anders aus. Da bei der Entwicklung der Quantentheorie (obwohl später entstanden) die Relativitätstheorie nicht beachtet wurde (sondern gänzlich aus nicht-relativistischen Prinzipien aufgebaut wurde), kann es nicht verwundern, dass das Prinzip der Lokalität hier nicht gilt.

Grundsätzlich postuliert die Quantenmechanik, dass für bestimmte Messwerte von physikalischen Größen lediglich Wahrscheinlichkeiten angegeben werden können. Ein typisches Beispiel ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeitsverteilung des Elektrons im Atom (Orbital). Sie ist (nahezu) nie Null, in der Nähe des Atomkerns nicht, aber auch nicht auf Alpha Centauri (obgleich sehr sehr niedrig, fast null). Diese Aufenthalts- Wahrscheinlichkeitsverteilung wird durch die Wellenfunktion beschrieben. Im Augenblick einer wirklichen Messung ("wo ist das Elektron jetzt") kollabiert die Wellenfunktion: Am Ort des Elektrons wird sie eins, überall sonst null. Die Frage, auf die die Quantenmechanik nur implizit eine Antwort gibt, ist, ob dieser Kollaps der Wellenfunktion instantan (augenblicklich) erfolgt oder sich "nur" mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Mit anderen Worten: Wenn eine Ortsmessung eines Elektrons auf der Erde erfolgt, wie schnell ändert die Wellenfunktion ihren Wert auf Null auf Alpha Centauri? Sofort oder erst in vier Jahren? Die implizite Antwort der Quantentheorie heißt: Der Kollaps der Wellenfunktion erfolgt instantan, ist also nicht-lokal (impliziert daher Fernwirkungen). Genau diesen Umstand bezeichnet man als Quanten-Nichtlokalität.

Diese sehr theoretischen Ausführungen kann man jedoch bereits mit so genannten verschränkten Paaren praktisch nachspielen, wo eine quantenmechanische Messung an einem Ort einen Kollaps der Wellenfunktion an einem anderen Ort nach sich zieht. Dabei zeigt sich, dass zwar der Kollaps der Wellenfunktion instantan erfolgt, jedoch keine echten Informationen übertragen werden können, sodass die Kausalität dennoch erhalten bleibt. Allerdings bietet diese sogenannte Quantenteleportation die Möglichkeit einer besonders sicheren Verschlüsselung: Wenn Sender und Empfänger jeweils ein Teil eines verschränkten Paares besitzen, so können sie sich verschlüsselte Botschaften zusenden, die prinzipiell von dritten nicht unbemerkt abgehört werden könnten (Quantenkryptografie). Allerdings gilt das nur unter der Annahme, der "Lauscher" verwende einen klassischen Messvorgang um den Quantenzustand eines abgefangenen Teilchens zu bestimmen. Einer Gruppe von US-Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology gelang es unter der Leitung von Taehyun Kim im November 2006 in einer nach dem BB84-Protokoll verschlüsselten Nachricht bis zu 40% der Übertragung unbemerkt abzuhören - allerdings in einer Simulation und unter Laborbedingungen. Die Resultate des Experimentes wurden am 25. April 2007 in der Fachzeitschrift Physical Review veröffentlicht.^[1]

Quellen

1. ↑ Taehyun Kim, Ingo Stork genannt Wersborg, Franco N. C. Wong, Jeffrey H. Shapiro: Complete physical simulation of the entangling-probe attack on the BB84 protocol.

Siehe auch:

EPR-Effekt