Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quanten-Kausalbeziehungen: A verursacht B verursacht A

04.10.2012
Ein tief verwurzeltes Konzept in der Wissenschaft und in unserer Alltagserfahrung ist die Kausalität: die Idee, dass gegenwärtige Ereignisse durch vergangene Ereignisse verursacht werden und dass gegenwärtige Ereignisse wiederum zukünftige Ereignisse verursachen.
Wenn ein Ereignis A eine Wirkung B verursacht, kann B nicht auch A verursachen. Nun zeigen theoretische Physiker von der Universität Wien und der Université Libre de Bruxelles, dass in der Quantenmechanik eine Situation vorstellbar ist, in der ein einzelnes Ereignis zugleich Ursache und Wirkung eines anderen Ereignisses sein kann. Die Forschungsergebnisse dazu erscheinen in der aktuellen Ausgabe von "Nature Communications".

Obwohl noch nicht geklärt ist, ob solche Situationen tatsächlich in der Natur vorkommen, kann die bloße Möglichkeit ihrer Existenz weitreichende Folgen für die Grundlagen der Quantenmechanik, der Quantengravitation und der Quanteninformationsverarbeitung haben.
Kausale Beziehungen: Wer beeinflusst wen?

Im Alltagsleben und in der klassischen Physik gibt es eine klare zeitliche Abfolge von Ereignissen: eine Ursache kann nur eine Wirkung in ihrer Zukunft und nicht in ihrer Vergangenheit beeinflussen. Ein einfaches Beispiel: Eine Person namens Alice betritt ein Zimmer und findet dort ein Stück Papier vor. Alice liest das Papier, radiert die Schriftzüge aus und schreibt ihre eigene Botschaft auf das Papier nieder. Eine zweite Person, Bob, die dasselbe Zimmer zu einem anderen Zeitpunkt betritt, befolgt das gleiche Prozedere: Bob liest, löscht und schreibt eine Nachricht auf das Papier. Falls Bob den Raum nach Alice betritt, wird zwar er die Botschaft von Alice lesen können, aber Alice hat keine Möglichkeit, Bobs Nachricht zu kennen. In diesem Fall ist das Verfassen der Botschaft durch Alice die "Ursache" und die von Bob gelesene Botschaft die "Wirkung". Jedes Mal, wenn die beiden den Vorgang wiederholen, wird nur eine der beiden Personen die Nachricht des anderen lesen können.
Selbst wenn sie keine Uhren bei sich haben und nicht wissen, wer von ihnen als erster den Raum betritt, können sie aufgrund dessen, was sie lesen und schreiben herausfinden, welche Person als erste im Zimmer war. Wenn z.B. Alice die Nachricht "Alice war heute hier" hinterlässt, wird Bob beim Lesen der Nachricht feststellen, dass er das Zimmer erst nach Alice betreten hat.

Quantenverletzung der kausalen Abfolge

Solange nur die Gesetze der klassischen Physik zulässig sind, steht die Reihenfolge der Ereignisse fest: Entweder ist Bob oder Alice die erste Person, die im Zimmer eine Nachricht hinterlässt. Wenn die Quantenmechanik ins Spiel kommt, kann sich dieses Bild jedoch drastisch verändern. Gemäß der Quantenmechanik können Objekte ihre wohldefinierten klassischen Eigenschaften verlieren, sodass z.B. ein Teilchen zugleich an zwei unterschiedlichen Orten sein kann. Das nennt man in der Quantenphysik "Superposition". Nun hat ein internationales Team von Physikern um Caslav Brukner von der Universität Wien gezeigt, dass sich sogar die kausale Abfolge von Ereignissen in einer solchen Superposition befinden könnte. Wenn in unserem Beispiel Alice und Bob statt eines gewöhnlichen Blatt Papiers ein Quantensystem zur Verfügung haben, um ihre Nachricht zu hinterlassen, kann nun folgende Situation eintreten: Jede der beiden Personen kann Teile der Botschaft lesen, die die andere Person geschrieben hat. Tatsächlich hat man eine Superposition der beiden Situationen: "Alice betritt das Zimmer als Erste und hinterlässt ihre Nachricht vor Bob" und "Bob betritt das Zimmer als Erster und hinterlässt seine Nachricht vor Alice".
"Solch eine Möglichkeit wurde in der Quantenmechanik nicht umgesetzt, da die Theorie immer eine bestimmte kausale Abfolge zwischen Ereignissen voraussetzt", erläutert Ognyan Oreshko von der Freien Universität Brüssel (vormals Universität Wien). "Wenn wir allerdings davon ausgehen, dass die Quantenmechanik alle Phänomene steuert, muss man naturgemäß annehmen, dass die Abfolge von Ereignissen auch unbestimmt sein könnte, ähnlich der Position und der Geschwindigkeit eines Teilchens", ergänzt Fabio Costa von der Universität Wien.

Diese Erkenntnisse stellen einen wichtigen Schritt zum Verständnis dar, dass die bestimmte kausale Abfolge nicht eine notwendige Eigenschaft der Natur sein muss. "Die wahre Herausforderung liegt nun darin herauszufinden, wo wir in der Natur nach Superpositionen der kausalen Abfolge suchen sollen", erklärt Caslav Brukner von der Gruppe Quantenoptik, Quantennanophysik, Quanteninformation der Universität Wien.

Publikation in "Nature Communications":
"Quantum correlations with no causal order": Ognyan Oreshkov, Fabio Costa, Caslav Brukner. Nature Communications
DOI: 10.1038/ncomms2076

Wissenschaftlicher Kontakt (Brüssel):
Ognyan Oreshkov
Centre for Quantum Information and Communication (QuIC) Université Libre de Bruxelles Av. F. D. Roosevelt 50 – CP165/59
B-1050 Brussels, Belgium
T+32-2-650 29 56
oreshkov@ulb.ac.be

Wissenschaftliche Kontakte (Wien):
Fabio Costa
Quantenoptik, Quantennanophysik, Quanteninformation
Fakultät für Physik, Universität Wien
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
T +43-1-4277-725 83
fabio.costa@univie.ac.at

Caslav Brukner
Quantenoptik, Quantennanophysik, Quanteninformation
Fakultät für Physik, Universität Wien
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
T +43-1-4277-725 82
M +43-664-602 77-725 82
caslav.brukner@univie.ac.at

Rückfragehinweis:
Mag. Barbara Suchanek
VCQ Press
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
T +43-1-4277-725 45
vcq@quantum.at

Veronika Schallhart | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.quantumfoundations.weebly.com/
http://quic.ulb.ac.be/members/oreshkov

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik
11.12.2019 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Vom Staubkorn zum Planeten – Rätsel um Kollisionsbarriere gelöst
11.12.2019 | Universität Duisburg-Essen

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: Cheers! Maxwell's electromagnetism extended to smaller scales

More than one hundred and fifty years have passed since the publication of James Clerk Maxwell's "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). What would our lives be without this publication?

It is difficult to imagine, as this treatise revolutionized our fundamental understanding of electric fields, magnetic fields, and light. The twenty original...

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Analyse internationaler Finanzmärkte

10.12.2019 | Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

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

Neue Hefe-Spezies in Braunschweig entdeckt

12.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Humane Papillomviren programmieren ihre Wirtszellen um und begünstigen so die Hautkrebsentstehung

12.12.2019 | Medizin Gesundheit

Urbane Gärten: Wie Agrarschädlinge von Städten profitieren

12.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

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