Die Quantenmechanik ist komisch. Die Theorie, die die Funktionsweise winziger Teilchen und Kräfte beschreibt, machte Albert Einstein notorisch so unruhig, dass er und seine Kollegen 1935 behaupteten, sie müsse unvollständig sein - sie sei zu „gruselig“, um real zu sein.
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Das Problem ist, dass die Quantenphysik den gängigen Vorstellungen von Kausalität, Lokalität und Realismus zu trotzen scheint. Sie wissen zum Beispiel, dass der Mond existiert, auch wenn Sie ihn nicht betrachten - das ist Realismus. Die Kausalität sagt uns, dass die Glühbirne aufleuchtet, wenn Sie einen Lichtschalter betätigen. Und dank einer starken Begrenzung der Lichtgeschwindigkeit kann der entsprechende Effekt, wenn Sie jetzt einen Schalter betätigen, je nach Standort nicht sofort in einer Entfernung von einer Million Lichtjahren auftreten. Diese Prinzipien brechen jedoch im Quantenbereich zusammen. Das vielleicht berühmteste Beispiel ist die Quantenverschränkung, die besagt, dass Teilchen auf gegenüberliegenden Seiten des Universums in sich verbunden werden können, so dass sie sofort Informationen austauschen - eine Idee, die Einstein zum Spott verleitet.
Doch 1964 bewies der Physiker John Stewart Bell, dass die Quantenphysik tatsächlich eine vollständige und praktikable Theorie ist. Seine Ergebnisse, die jetzt als Bells Theorem bezeichnet werden, haben effektiv bewiesen, dass Quanteneigenschaften wie Verschränkung genauso real sind wie der Mond, und heute werden die bizarren Verhaltensweisen von Quantensystemen für die Verwendung in einer Vielzahl realer Anwendungen genutzt. Hier sind fünf der faszinierendsten:
Eine Strontiumuhr, die im Januar von NIST und JILA vorgestellt wurde, hält die genaue Zeit für die nächsten 5 Milliarden Jahre. (Die Ye-Gruppe und Brad Baxley, JILA) Ultrapräzise Uhren
Zuverlässige Zeitmessung ist mehr als nur Ihr Morgenalarm. Uhren synchronisieren unsere technologische Welt und halten Dinge wie Aktienmärkte und GPS-Systeme in Einklang. Standarduhren verwenden die regelmäßigen Schwingungen physikalischer Objekte wie Pendel oder Quarze, um ihre "Ticks" und "Token" zu erzeugen. Die präzisesten Uhren der Welt, die Atomuhren, können heutzutage die Prinzipien der Quantentheorie verwenden, um die Zeit zu messen. Sie überwachen die spezifische Strahlungsfrequenz, die erforderlich ist, damit Elektronen zwischen den Energieniveaus springen. Die Quantenlogikuhr am US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) in Colorado verliert oder gewinnt nur alle 3, 7 Milliarden Jahre eine Sekunde. Und die NIST-Strontiumuhr, die Anfang dieses Jahres vorgestellt wurde, wird 5 Milliarden Jahre lang so genau sein - länger als das gegenwärtige Zeitalter der Erde. Solche überempfindlichen Atomuhren helfen bei der GPS-Navigation, Telekommunikation und Vermessung.
Die Präzision von Atomuhren hängt teilweise von der Anzahl der verwendeten Atome ab. In einer Vakuumkammer misst jedes Atom unabhängig die Zeit und beobachtet die zufälligen lokalen Unterschiede zwischen sich und seinen Nachbarn. Wenn Wissenschaftler 100-mal mehr Atome in eine Atomuhr stecken, wird sie 10-mal genauer - aber es gibt eine Grenze für die Anzahl der Atome, in die Sie sich einpressen können. Das nächste große Ziel der Forscher ist es, die Verschränkung erfolgreich einzusetzen, um die Präzision zu verbessern. Verschränkte Atome würden sich nicht mit lokalen Unterschieden befassen, sondern lediglich den Zeitverlauf messen und sie effektiv als ein einziges Pendel zusammenführen. Das bedeutet, dass das Hinzufügen von 100-mal mehr Atomen zu einer verschränkten Uhr die Genauigkeit um das 100-fache erhöhen würde. Verschränkte Uhren könnten sogar zu einem weltweiten Netzwerk verbunden werden, das die Zeit unabhängig vom Standort misst.
Beobachter werden es schwer haben, sich in die Quantenkorrespondenz zu stürzen. (VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis) Nicht knackbare Codes
Herkömmliche Kryptografie arbeitet mit Schlüsseln: Ein Absender verwendet einen Schlüssel zum Verschlüsseln von Informationen und ein Empfänger einen anderen zum Entschlüsseln der Nachricht. Es ist jedoch schwierig, das Risiko eines Lauschangriffs auszuschließen, und Schlüssel können kompromittiert werden. Dies kann mithilfe einer potenziell unzerbrechlichen Quantenschlüsselverteilung (QKD) behoben werden. In QKD werden Informationen über den Schlüssel über Photonen gesendet, die zufällig polarisiert wurden. Dies begrenzt das Photon so, dass es nur in einer Ebene vibriert - zum Beispiel nach oben und unten oder von links nach rechts. Der Empfänger kann polarisierte Filter verwenden, um den Schlüssel zu entschlüsseln, und dann einen ausgewählten Algorithmus verwenden, um eine Nachricht sicher zu verschlüsseln. Die geheimen Daten werden immer noch über normale Kommunikationskanäle gesendet, aber niemand kann die Nachricht entschlüsseln, es sei denn, er hat den genauen Quantenschlüssel. Das ist schwierig, weil Quantenregeln vorschreiben, dass das "Lesen" der polarisierten Photonen immer ihren Zustand ändert, und jeder Abhörversuch die Kommunikatoren auf eine Sicherheitslücke hinweist.
Heutzutage verwenden Unternehmen wie BBN Technologies, Toshiba und ID Quantique QKD, um hochsichere Netzwerke zu entwerfen. 2007 hat die Schweiz ein ID Quantique-Produkt ausprobiert, um während einer Wahl ein manipulationssicheres Abstimmungssystem bereitzustellen. Und die erste Überweisung mit verwickelter QKD wurde 2004 in Österreich durchgeführt. Dieses System verspricht hohe Sicherheit, denn wenn die Photonen verwickelt sind, sind Änderungen ihrer Quantenzustände, die von Interlopern vorgenommen werden, für jeden, der den Schlüssel überwacht, sofort ersichtlich Teilchen. Dieses System funktioniert jedoch noch nicht über große Entfernungen. Bislang wurden verschränkte Photonen über eine maximale Entfernung von etwa 140 Kilometern übertragen.
Nahaufnahme eines D-Wave One Computer-Chips. (D-Wave Systems, Inc.) Supermächtige Computer
Ein Standardcomputer codiert Informationen als eine Folge von Binärziffern oder Bits. Quantencomputer laden die Rechenleistung auf, weil sie Quantenbits oder Qubits verwenden, die in einer Überlagerung von Zuständen vorliegen. Bis zu ihrer Messung können Qubits gleichzeitig "1" und "0" sein.
Dieses Feld befindet sich noch in der Entwicklung, aber es wurden Schritte in die richtige Richtung unternommen. 2011 stellte D-Wave Systems den 128-Qubit-Prozessor D-Wave One vor, ein Jahr später den 512-Qubit-Prozessor D-Wave Two. Das Unternehmen gibt an, dass dies die ersten kommerziell erhältlichen Quantencomputer der Welt sind. Diese Behauptung stieß jedoch auf Skepsis, auch weil immer noch unklar ist, ob die Qubits von D-Wave verwickelt sind. Im Mai veröffentlichte Studien ergaben Hinweise auf eine Verstrickung, jedoch nur in einem kleinen Teil der Qubits des Computers. Es besteht auch Unsicherheit darüber, ob die Chips eine zuverlässige Quantenbeschleunigung aufweisen. Die NASA und Google haben sich jedoch zusammengetan, um das Quantum Artificial Intelligence Lab auf Basis einer D-Wave Two zu gründen. Und Wissenschaftler der Universität Bristol haben im vergangenen Jahr einen ihrer traditionellen Quantenchips an das Internet angeschlossen, damit jeder mit einem Webbrowser die Quantencodierung erlernen kann.
Verstrickungen im Auge behalten. (Ono et al., Arxiv.org) Verbesserte Mikroskope
Im Februar entwickelte ein Forscherteam der japanischen Hokkaido-Universität das weltweit erste verschränkungsverstärkte Mikroskop unter Verwendung einer Technik, die als Differenzialinterferenzkontrastmikroskopie bekannt ist. Diese Art von Mikroskop feuert zwei Photonenstrahlen auf eine Substanz und misst das von den reflektierten Strahlen erzeugte Interferenzmuster - das Muster ändert sich je nachdem, ob sie auf eine flache oder unebene Oberfläche treffen. Die Verwendung von verschränkten Photonen erhöht die Informationsmenge, die das Mikroskop sammeln kann, erheblich, da die Messung eines verschränkten Photons Informationen über seinen Partner liefert.
Dem Hokkaido-Team gelang es, ein eingraviertes "Q", das sich nur 17 Nanometer über dem Hintergrund befand, mit beispielloser Schärfe abzubilden. Ähnliche Techniken könnten verwendet werden, um die Auflösung von Astronomiewerkzeugen, so genannten Interferometern, zu verbessern, die verschiedene Lichtwellen überlagern, um ihre Eigenschaften besser analysieren zu können. Interferometer werden auf der Suche nach extrasolaren Planeten eingesetzt, um nahegelegene Sterne abzusuchen und in Raumzeiten nach Wellen zu suchen, die Gravitationswellen genannt werden.
Das Rotkehlchen kann ein Quantum Natural sein. (Andrew Parkinson / Corbis) Biologische Kompasse
Nicht nur der Mensch nutzt die Quantenmechanik. Eine der führenden Theorien besagt, dass Vögel wie das Rotkehlchen die gruselige Aktion nutzen, um bei der Wanderung den Überblick zu behalten. Das Verfahren beinhaltet ein lichtempfindliches Protein namens Cryptochrom, das verschlungene Elektronen enthalten kann. Wenn Photonen in das Auge eindringen, treffen sie auf die Cryptochrom-Moleküle und können so viel Energie abgeben, dass sie sich auflösen. Dabei bilden sich zwei reaktive Moleküle oder Radikale mit ungepaarten, aber immer noch verstrickten Elektronen. Das Magnetfeld, das den Vogel umgibt, beeinflusst, wie lange diese Cryptochrom-Radikale anhalten. Es wird angenommen, dass Zellen in der Netzhaut des Vogels sehr empfindlich auf das Vorhandensein der verwickelten Radikale reagieren, sodass die Tiere eine auf den Molekülen basierende Magnetkarte effektiv "sehen" können.
Dieser Prozess ist jedoch nicht vollständig verstanden, und es gibt noch eine andere Option: Die magnetische Empfindlichkeit von Vögeln könnte auf kleine Kristalle magnetischer Mineralien in ihren Schnäbeln zurückzuführen sein. Experimente legen jedoch nahe, dass der empfindliche Zustand im Auge eines Vogels viel länger anhalten muss, als in den besten künstlichen Systemen. Der Magnetkompass kann auch auf bestimmte Eidechsen, Krebstiere, Insekten und sogar einige Säugetiere angewendet werden. Beispielsweise wurde im menschlichen Auge auch eine Form von Kryptochrom gefunden, die für die magnetische Navigation bei Fliegen verwendet wird, obwohl unklar ist, ob es für einen ähnlichen Zweck nützlich ist oder einmal war.
