Superposition und Verschränkung fliehen aus dem Quantennest

Wenn ein Wald seine Bäume verliert, verliert er auch seine Identität als Wald (und schafft eine ökologische Katastrophe). In ähnlicher Weise wäre die Quantentheorie ohne die definierenden Effekte von Überlagerung und Verschränkung ein ganz anderes Tier. Die Umkehrung gilt jedoch nicht unbedingt. Die beiden physikalischen Effekte lassen sich unabhängig vom theoretischen Rahmen beobachten, mit dem sie erklärt wurden, und ein internationales Forscherteam hat nun gezeigt, dass der Zusammenhang zwischen ihnen auch nicht vom mathematischen Formalismus der Quantentheorie abhängt. Praktisch gesehen öffnet das Ergebnis die Tür zur Realisierung der Quantenkryptographie, selbst wenn sich die Quantentheorie als falsch erweist.

Die Quantentheorie ist bis heute eine der erfolgreichsten Theorien der Physik. Trotz seiner nicht intuitiven Natur haben seine Vorhersagen durchweg mit empirischen Beobachtungen übereingestimmt. Im Laufe der Zeit haben aufkommende Anwendungen wie Quantencomputing und Quantenkryptografie großes Interesse in der Industrie geweckt. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, sie mit der Schwerkraft in Einklang zu bringen, was darauf hindeutet, dass die Quantentheorie in Zukunft durch eine andere, vollständigere Theorie ersetzt oder gestürzt werden könnte. Dies ist ein natürlicher Prozess in der wissenschaftlichen Evolution, bei dem verfälschte Theorien verworfen werden und sich dadurch Paradigmenwechsel ergeben.

Obwohl Verschränkung und Überlagerung im Labor häufig beobachtet werden, war es der mathematische Formalismus der Quantentheorie, der zuvor erklärte, wie die beiden Konzepte zusammenhängen. Dies machte ihre genaue Beziehung anfällig für zukünftige Korrekturen.

Allgemeine Wahrscheinlichkeitstheorien

In der neuesten Arbeit, die in beschrieben wird Physical Review Letters, Die Forscher bewiesen, dass in jeder physikalischen Theorie eine Verschränkung zwischen verschiedenen Systemen nur dann bestehen kann, wenn in jedem von ihnen eine Überlagerung bestehen kann. Das Ergebnis ergibt eine Äquivalenz zwischen den beiden Konzepten, die über den Quantenbereich hinausreicht.

Um zu zeigen, dass die Verbindung zwischen Überlagerung und Verschränkung in jeder physikalischen Theorie gilt, verwendeten die Forscher einen Rahmen namens Allgemeine Wahrscheinlichkeitstheorien. Dieser Rahmen bietet eine allgemeine mathematische Beschreibung für die Schlüsselanforderungen einer physikalischen Theorie: physikalische Zustände, ihre Transformationen und Messungen. Der Rahmen umfasst sowohl die klassische als auch die Quantentheorie. Noch wichtiger ist, dass es auch exotischere Theorien enthält, die typische Quantenmerkmale wie Überlagerung und Verschränkung aufweisen. Zum Beispiel in einer solchen nicht-klassischen Theorie, bekannt als „Boxwelt“, können die nichtlokalen Korrelationen, die die Verschränkung charakterisieren, so stark sein, dass sie über das hinausgehen, was die Quantentheorie erlaubt.

Quantenkryptographie

Die Verbindung zwischen diesem Ergebnis und der Quantenkryptographie besteht darin, dass letztere Merkmale der Quantentheorie nutzt, um eine sichere Informationsübertragung zwischen zwei Parteien bereitzustellen. Ein bemerkenswertes Beispiel ist das Lehrbuchprotokoll BB84, das Verschränkung verwendet, um sicherzustellen, dass jeder Hacker erkannt und von der Kommunikation ausgeschlossen werden kann. Wenn dieses Protokoll weit verbreitet werden sollte, nur um seine Unhackbarkeit durch eine neue Theorie zu kippen, könnten katastrophale Folgen die Folge sein. Beispielsweise könnten große Mengen sensibler Daten wie Kreditkartendaten von böswilligen Akteuren kompromittiert werden.

Die neuartige theorieunabhängige Verbindung impliziert, dass diese apokalyptische Darstellung wahrscheinlich nicht Wirklichkeit wird, da die Forscher zeigen, dass das Protokoll gemäß jeder nicht-klassischen Theorie realisiert werden kann. In einer Pressemitteilung, die mit der Veröffentlichung der Studie zusammenfällt, Ludovico Lami, Mitautor des Artikels und Physiker an der Universität Ulm, Deutschland, erklärte: „Es ist irgendwie beruhigend zu wissen, dass Kryptographie wirklich ein Merkmal aller nicht-klassischen Theorien ist und nicht nur eine Quantenkuriosität, da viele von uns glauben, dass die ultimative Naturtheorie wahrscheinlich nicht klassisch sein wird.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/superposition-and-entanglement-flee-the-quantum-nest/