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 Oberflächen mit flexiblen und handlichen Plasmaquellen aktivieren
17.10.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Reise zum Merkur mit Berner Beteiligung
17.10.2018 | Universität Bern

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: Auf Wiedersehen, Silizium? Auf dem Weg zu neuen Materalien für die Elektronik

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben zusammen mit Wissenschaftlern aus Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgarien) und Madrid (Spanien) ein neues, metall-organisches Material entwickelt, welches ähnliche Eigenschaften wie kristallines Silizium aufweist. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konventionelle nicht-organische Materialien dienen, die in der Optoelektronik genutzt werden.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computerchips wird heutzutage vorrangig Silizium eingesetzt. Für diese...

Im Focus: Goodbye, silicon? On the way to new electronic materials with metal-organic networks

Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz (Germany) together with scientists from Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgaria) and Madrid (Spain) have now developed and characterized a novel, metal-organic material which displays electrical properties mimicking those of highly crystalline silicon. The material which can easily be fabricated at room temperature could serve as a replacement for expensive conventional inorganic materials used in optoelectronics.

Silicon, a so called semiconductor, is currently widely employed for the development of components such as solar cells, LEDs or computer chips. High purity...

Im Focus: Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiert

Die Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente.

Das Element Phosphor tritt in vielerlei Gestalt auf und wechselt mit jeder neuen Modifikation auch den Katalog seiner Eigenschaften. Bisher bekannt waren...

Im Focus: Chemiker der Universitäten Rostock und Yale zeigen erstmals Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen

Die Forschungskooperation zwischen der Universität Yale und der Universität Rostock hat neue wissenschaftliche Ergebnisse hervorgebracht. In der renommierten Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten die Wissenschaftler über eine Dreierkette aus Ionen gleicher Ladung, die durch sogenannte Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Damit zeigen die Forscher zum ersten Mal eine Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen, die sich im Grunde abstoßen.

Die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Professoren Mark Johnson, einem weltbekannten Cluster-Forscher, und Ralf Ludwig aus der Physikalischen Chemie der...

Im Focus: Storage & Transport of highly volatile Gases made safer & cheaper by the use of “Kinetic Trapping"

Augsburg chemists present a new technology for compressing, storing and transporting highly volatile gases in porous frameworks/New prospects for gas-powered vehicles

Storage of highly volatile gases has always been a major technological challenge, not least for use in the automotive sector, for, for example, methane or...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

11. Jenaer Lasertagung

16.10.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2018

16.10.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz in der Medizin

16.10.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Sinneswahrnehmung ist keine Einbahnstraße

17.10.2018 | Biowissenschaften Chemie

Space Farming dank Pflanzenhormon Strigolacton

17.10.2018 | Agrar- Forstwissenschaften

Oberflächen mit flexiblen und handlichen Plasmaquellen aktivieren

17.10.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics