Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der "große, rauchende Drache" der Quantenphysik

10.03.2016

Physiker um Anton Zeilinger haben erstmals die fast 100jährige Geschichte quantenphysikalischer "Delayed-choice"-Experimente aufgeschrieben und ausgewertet – von den theoretischen Anfängen bei Albert Einstein bis zu den neuesten Forschungsarbeiten der Gegenwart. Die umfassende Studie ist nun in der renommierten Fachzeitschrift "Reviews of Modern Physics" erschienen.

Seit dem 17. Jahrhundert beschäftigte die Wissenschaft die Frage, was Licht ist. Issac Newton war überzeugt, dass es ein Strom von Teilchen ist. Sein Zeitgenosse Christiaan Huygens hingegen argumentierte, dass es sich um Wellen handelt.


Man sieht den Schwanz, also die Quelle der Teilchen, und das Maul, sprich die Messergebnisse. Aber dazwischen befindet sich ein von Qualm umnebelter Körper.

Copyright: Xiao-song Ma

Die moderne Quantenphysik sagt, dass beide richtig lagen. Licht kann sowohl als Teilchen als auch als Welle beobachtet werden – je nachdem, welche Eigenschaft in einem Experiment gemessen wird, zeigt es sich mehr als das eine oder das andere. Dieser sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus ist eines der grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik. Doch diese Annahme fordert das Alltagsverständnis heraus: Kann ein und dasselbe tatsächlich zwei verschiedene Dinge zugleich sein?

Das Unbestimmte messen

Die fundamentale Unbestimmtheit quantenphysikalischer Phänomene verglich der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler (1911–2008) bereits in den 1970er Jahren metaphorisch mit einem "großen, rauchenden Drachen": Man sieht den Schwanz, also die Quelle der Teilchen, und das Maul, sprich die Messergebnisse. Aber dazwischen befindet sich ein von Qualm umnebelter Körper. Und dieser Nebel lässt sich nicht lichten: Denn erst die Messung bestimmt das Phänomen, nicht umgekehrt.

Um das zu beweisen, führte Wheeler ein berühmt gewordenes Gedankenexperiment durch. Beim "Delayed-choice"-Experiment wird die Wahl, ob die Teilchen- oder die Welleneigenschaft bestimmt wird, verzögert bzw. sogar während des Experiments verändert. Dadurch zeigt sich ein und dasselbe Phänomen, wie beispielsweise Licht, in ein und demselben Experiment einmal als Teilchen und einmal als Welle. Es kann also tatsächlich beides sein, abhängig von Zeitpunkt und Art der Messung.

Zahlreiche QuantenphysikerInnen haben in den vergangenen Jahrzehnten versucht, Wheelers Gedanken experimentell zu überprüfen, um damit den Welle-Teilchen-Dualismus auch empirisch zu untermauern. Wie erfolgreich dieses Unterfangen war, haben nun Xiao-song Ma von der Nanjing University, Johannes Kofler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Anton Zeilinger, Quantenphysiker an der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erstmals in einer umfassenden Studie gezeigt, welche die gesamte Geschichte der "Delayed-choice"-Experimente zusammenfasst und evaluiert.

Obwohl sich der Gedanke des Welle-Teilchen-Dualismus bis zu Albert Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts durch Lichtteilchen im Jahr 1905 zurückverfolgen lässt, dauerte es bis in die 1980er Jahre bis erste "Delayed-choice"-Experimente durchgeführt werden konnten. "Erst durch die Entwicklung neuer quantenoptischer Techniken für die schnelle und präzise Messung von Licht, war es möglich, Wheelers Gedankenexperiment in die Tat umzusetzen", sagt Xiao-song Ma, der Erstautor der Studie.

Bedeutsam für Quantenkryptographie und Quantencomputer

"Experimente dieser Art konfrontieren uns mit Grundsatzfragen der Quantenphysik", ergänzt Anton Zeilinger. "Doch auch für zukünftige innovative Anwendungen haben sie große Bedeutung, etwa in der Quantenkryptographie oder in der Weiterentwicklung des Quantencomputers." So lassen sich "Delayed-choice"-Experimente auch auf das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung anwenden, was für die Sicherheit von Quantenkommunikation eine wichtige Rolle spielt.

Bei Quantencomputern kann sich in bestimmten Fällen durch die Anwendung von "Delayed-choice"-Experimenten die Rechengeschwindigkeit erhöhen lassen. Die Autoren der Studie, die nun in der Fachzeitschrift "Reviews of Modern Physics" veröffentlicht wurde, erwarten sich daher auch in Zukunft durch "Delayed-choice"-Experimente weitere neue Erkenntnisse in der Quantenphysik und praktische Anwendungen für darauf basierende Technologien.

Publikation in Reviews of Modern Physics
Delayed-choice gedanken experiments and their realizations. Xiao-song Ma, Johannes Kofler, Anton Zeilinger. Reviews of Modern Physics, 2016
http://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.88.015005

Rückfragehinweise:
Dipl.-Soz. Sven Hartwig
Leitung Öffentlichkeit & Kommunikation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Dr. Ignaz Seipel-Platz 2, 1010 Wien
T +43 1 51581-1331
sven.hartwig@oeaw.ac.at

Mag. Alexandra Frey
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
Universitätsring 1, 1010 Wien
T +43-1-4277-175 33
alexandra.frey@univie.ac.at

WISSENSCHAFTLICHER KONTAKT:
Xiao-song Ma
School of Physics, Nanjing University
22 Hankou Road, Nanjing, Jiangsu 210093, China
und
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Boltzmanngasse 3, 1090 Wien, Österreich
T +86 25-8359-2270
xiaosong.ma@nju.edu.cn

Österreichische Akademie der Wissenschaften
Die Österreichische Akademie der Wissenschaften hat die gesetzliche Aufgabe, „die Wissenschaft in jeder Hinsicht zu fördern“. 1847 als Gelehrtengesellschaft gegründet, steht sie mit ihren heute über 770 Mitgliedern sowie rund 1.450 Mitarbeiter/innen für innovative Grundlagenforschung, interdisziplinären Wissensaustausch und die Vermittlung neuer Erkenntnisse – mit dem Ziel zum wissenschaftlichen und gesamtgesellschaftlichen Fortschritt beizutragen. http://www.oeaw.ac.at

Universität Wien
Offen für Neues. Seit 1365.
Die Universität Wien ist eine der ältesten und größten Universitäten Europas: An 15 Fakultäten und vier Zentren arbeiten rund 9.700 MitarbeiterInnen, davon 6.800 WissenschafterInnen. Die Universität Wien ist damit auch die größte Forschungsinstitution Österreichs sowie die größte Bildungsstätte: An der Universität Wien sind derzeit rund 92.000 nationale und internationale Studierende inskribiert. Mit über 180 Studien verfügt sie über das vielfältigste Studienangebot des Landes. Die Universität Wien ist auch eine bedeutende Einrichtung für Weiterbildung in Österreich. http://www.univie.ac.at

Stephan Brodicky | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Einmal durchleuchtet – dreifacher Informationsgewinn
11.12.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Stabile Quantenbits
08.12.2017 | Universität Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Im Focus: Realer Versuch statt virtuellem Experiment: Erfolgreiche Prüfung von Nanodrähten

Mit neuartigen Experimenten enträtseln Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Technischen Universität Hamburg, warum winzige Metallstrukturen extrem fest sind

Ultraleichte und zugleich extrem feste Werkstoffe – poröse Nanomaterialien aus Metall versprechen hochinteressante Anwendungen unter anderem für künftige...

Im Focus: Geburtshelfer und Wegweiser für Photonen

Gezielt Photonen erzeugen und ihren Weg kontrollieren: Das sollte mit einem neuen Design gelingen, das Würzburger Physiker für optische Antennen erarbeitet haben.

Atome und Moleküle können dazu gebracht werden, Lichtteilchen (Photonen) auszusenden. Dieser Vorgang verläuft aber ohne äußeren Eingriff ineffizient und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Alternativer Entstehungsprozess für Blutkrebs entschlüsselt

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Beschichtung bei Industrieanlagen soll Emissionen senken

12.12.2017 | Materialwissenschaften

Zeigt her Eure Blätter - Gesundheitscheck für Stadtbäume

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie