Die Bellsche Ungleichung erlaubt es, ein von Albert Einstein stammendes Gedankenexperiment zur Deutung der Quantenmechanik in recht durchsichtiger Weise zu analysieren. D’Espagnat hat der Ungleichung eine Fassung gegeben, die mit einem elementaren Wahrscheinlichkeitsraum auskommt. Aufgrund dieser Darstellung können die Konsequenzen einer neuerdings in Experimenten beobachteten Verletzung der Bellschen Ungleichung besonders deutlich sichtbar gemacht werden. In diesem Beitrag wird zunächst der historische Hintergrund der Debatte skizziert. Sodann wird die d’Espagnatsche Fassung weiter ausgebaut, um die Rolle der einzelnen Komponenten der experimentellen Anordnung besser sehen zu können. Schließlich wird eine wesentliche, aber immer noch elementare Erweiterung des Modells angegeben. Nunmehr kann gezeigt werden, daß die beobachteten Resultate nur durch eine Unsymmetrie der experimentellen Anordnung, nicht aber durch einen bisher vorgeschlagenen Verzicht auf ein gewisses Lokalitätspostulat erklärt werden können.
Die Bellsche Ungleichung erlaubt es, ein von Albert Einstein stammendes Gedankenexperiment zur Deutung der Quantenmechanik in recht durchsichtiger Weise zu analysieren. D’Espagnat hat der Ungleichung eine Fassung gegeben, die mit einem elementaren Wahrscheinlichkeitsraum auskommt. Aufgrund dieser Darstellung können die Konsequenzen einer neuerdings in Experimenten beobachteten Verletzung der Bellschen Ungleichung besonders deutlich sichtbar gemacht werden. In diesem Beitrag wird zunächst der historische Hintergrund der Debatte skizziert. Sodann wird die d’Espagnatsche Fassung weiter ausgebaut, um die Rolle der einzelnen Komponenten der experimentellen Anordnung besser sehen zu können. Schließlich wird eine wesentliche, aber immer noch elementare Erweiterung des Modells angegeben. Nunmehr kann gezeigt werden, daß die beobachteten Resultate nur durch eine Unsymmetrie der experimentellen Anordnung, nicht aber durch einen bisher vorgeschlagenen Verzicht auf ein gewisses Lokalitätspostulat erklärt werden können.
In diesem Überblick beabsichtigen wir nicht, die Theorie des quantenmechanischen Meßprozesses mit allen Beweisen darzustellen. Dazu würde der verfügbare Platz nicht ausreichen. Doch scheint es uns wichtig, die physikalischen Probleme auf diesem Gebiet aufgrund des gegenwärtigen Standes der Forschung gerade ohne den Ballast der mathematischen Beweise zusammenhängend darzustellen, um so mehr, als man den Eindruck haben kann, daß manche Probleme gar nicht in ihrer Tiefe gesehen werden, so daß leicht dort etwas oberflächliche Antworten stehen bleiben, wo es tatsächlich notwendig wäre, den physikalischen Sachverhalt noch weiter zu klären. Es soll daher versucht werden, diesen allgemein zu analysieren und eine mögliche Lösung des Problems zu schildern. Auf diesem Wege ist weniges durch Beweise gesichert und vieles nur vermutet, von dem aber zu hoffen ist, daß sich die Vermutungen mit der Zeit Schritt für Schritt exakt begründen lassen werden. Somit stellt dieser Artikel gleichzeitig eine Aufforderung dar, auf diesem Gebiete zu arbeiten.
Die ästhetisch erlebbare äußere Erscheinungsform von Städtebau und Architektur wird als ruhende Form sozialer Bewegung interpretiert und als soziale Materie beschrieben. Um dieses Ästhetisch-Reale bewusst und auf gesetzmäßig voraussehbare Weise gestalten zu können, wird eine einheitliche Theorie mit den Erscheinungsformen des Physikalisch-Realen angestrebt. Mit der Sicht auf das Ästhetisch-Reale wird eine neue Deutung eines alten Problems der theoretischen Physik möglich. Die Betrachtung der äußeren Form der Materie macht die unbeugsame Überzeugung ALBERT EINSTEINs von der Unvollständigkeit der Quantentheorie verständlich; eine einheitliche Sicht für seine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik war bisher nicht möglich. Erst ein einheitliches Formverständnis von Ästhetik und Physik lässt die eigentlichen Prinzipien der Quantenmechanik als ästhetische erkennbar werden, die den ästhetischen Prinzipien der direkt erkennbaren Realität, wie sie EINSTEIN formulierte, entsprechen. Die theoretische Physik hat zwar Beweise des Ästhetisch-Realen erarbeitet, konnte diese aber nicht deuten. Bei einer Betrachtung der Welt als Ganzes als einheitliche ästhetische Form wird eine realistische Erklärung der Quantenmechanik in Raum und Zeit möglich. So wird in Verfolg der hier vorgeschlagenen neuen Deutung die prinzipielle Unvereinbarkeit mit der Relativitätstheorie aufgehoben. Mit einer solchen einheitlichen Formtheorie wird es auch möglich sein, eine auf die ästhetisch-soziale Wirkung berechnete äußere Erscheinungsform von Städtebau und Architektur bewusst und der heutigen Zeit entsprechend zu gestalten. Ein wichtiges Beispiel eines allgemeinen Formprinzips ist die Entropie - ehemals eine rein physikalisch verstandene Zustandsbeschreibung ist sie geeignet, das soziologische System des modernen Städtebaus direkt zu charakterisieren.
Es ist bemerkenswert, daß die Grundpfeiler sowohl der Quantenmechanik als auch der speziellen Relativitätstheorie in den ersten fünf Jahren dieses Jahrhunderts gelegt wurden, und interessant die Entwicklung der beiden zu vergleichen. Während die spezielle Relativitätstheorie als Ganzes (1905) ein Geniestreich Einsteins war, entwickelte sich die Quantenmechanik in einer Reihe von kleinen Schritten während eines Vierteljahrhunderts (1900–1925). Eine Erklärung dafür ist, daß es, während in der speziellen Relativitätstheorie das Verhalten von Raum und Zeit einzig und allein aus zwei Prinzipien folgt, in der Quantentheorie keine solch einfachen Prinzipien gab, von denen ausgehend alle Quantenphänomene abgeleitet werden konnten. Vielmehr war jeder Schritt eine weitere Hypothese, die entweder auf einem neuen experimentellen Ergebnis beruhte oder ein solches vorhersagte, was nicht unbedingt in einer logischen Reihenfolge geschah und schon gar nicht in Folge eines oder zweier Prinzipen. Die Quantenmechanik entstand also abwechselnd aus Hypothesen und Experimenten, in etwa fünfundzwanzig Jahren. Wie die Überschriften der folgenden Abschnitte zeigen, können die meisten Schritte auf diesem Weg eng mit einer Person in Verbindung gebracht werden; die Beschäftigung mit ihnen wird uns hier als Einführung in die Quantenmechanik dienen.
Mit der Entwicklung der Quantenmechanik wurden neuartige Konzepte in der Beschreibung der Natur eingeführt.Der quantenmechanische Formalismus, basierend auf Wellenfunktionen von Teilchen und Systemen, führte zu überraschenden und außergewöhnlichen Erkenntnissen.Ein bemerkenswertes Beispiel dafür ist die Möglichkeit der Verschränkung mehrerer quantenmechanischer Systeme.Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften solcher verschränkten Systeme, die einer intuitiven lokal-realistischen Beschreibung der Welt widersprechen, entbrannte eine Diskussion, ob die Quantenmechanik eine komplette Beschreibung der physikalischen Realität liefern kann.Die Verfechter einer lokal-realistischen Weltsicht, unter ihnen Albert Einstein, schlugen eine Erweiterung der Quantenmechanik durch so genannte lokale verstecke Parameter (im Englischen local-hidden variables kurz LHV) vor, um den Widerspruch zwischen der Quantenmechanik und ihrem lokal-realistischen Weltbild zu lösen.Nach über dreißigjähriger Kontroverse, ob so eine Erweiterung möglich und sinnvoll sei, schlug John Bell ein Experiment vor, in dem die Vorhersagen der Quantenmechanik denen auf LHVs basierenden Vorhersagen widersprechen.Er formulierte dies 1964 in der berühmten Bellschen Ungleichung.In den letzten 50 Jahren wurden daraufhin zahlreiche Experimente zur Überprüfung der Bellschen Ungleichung durchgeführt, die alle eine Verletzung der Ungleichung zeigten und damit das lokal-realistischen Weltbild widerlegten.In diesen Experimenten war es jedoch Aufgrund technischer und konzeptueller Limitierungen nötig, zusätzliche Annahmen zu machen, die mögliche "Schlupflöcher" für LHV Theorien öffnen.Die drei bekanntesten sind das Detektionsschlupfloch, das Lokalitätsschlupfloch und das Entscheidungsschlupfloch: Das Detektionsschlupfloch öffnet sich, wenn aufgrund unzureichender Detektionseffizienz eine fair verteilte Auswahl der Detektionsereignisse angenommen werden muss.Das Lokalitätsschlupfloch entsteht durch die Annahme von unabhängigen Messungen.Es kann durch raumartige Trennung der Messungen geschlossen werden.Das Entscheidungsschlupfloch betrifft die Unabhängigkeit der Messungrichtungswahl. Da das Ausschließen der lokal-realistischen Theorien eine sehr grundsätzliche Aussage über die Natur ist, neben den experimentellen Herausforderungen, eine sehr sorgsame Analyse der Messdaten notwendig.In den üblichen Methoden zur Auswertung experimenteller Daten wird unter anderem angenommen, dass die wiederholte Messungen unabhängigen und identisch verteilten Ergebnisse liefern.Diese Annahme für zum "Erinnerungsschlupfloch" in dem LHV Theorien die Ergebnisse vorheriger Messungen nutzen können.Deshalb sind speziell entwickelte Auswertemethoden notwendig.Erst seit kurzem ist es möglich auf alle Extraannahmen in einem Experiment zu verzichten und so ein schlupflochfreies Experimentes durchzuführen.Die ersten Experimente die alle Schlupflöcher auf einmal schließen konnten, wurden parallel zu den Experimenten in dieser Dissertation entwickelt und durchgeführt.Jenseits von den fundamentalen Überlegungen kann die quantenmechanische Verschränkung für neue vielversprechende Anwendungen genutzt werde.Dazu zählen unter anderem Quantencomputer und neue Protokolle in der Quantenkommunikation.In dieser Arbeit werden beide Bereiche sowohl die Konsequenzen der Verschränkung für das fundamentale Verst-ändnis der Welt als auch die sich ergebenden Möglichkeiten für neue quantentechnologische Anwendungen betrachtet.Dies wird experimentell am Beispiel zweier verschränkter Rubidiumatome, die 398 m voneinander entfernt sind, untersucht.Zunächst werden dazu zwei einzelne 87 Rb-Atome in separaten Atomfallen gefangen.Um jetzt beide Atome über die große Entfernung miteinander zu verschränken, wird das sogenannte "entanglement swapping" Protokoll angewandt.Hierzu wird zunächst jedes Atom mit einem Photon verschränkt, welches dann in einer optische Glasfaser zu einem Bellzustandsanalysator geleitet wird.Hier werden die beiden Photonen auf einen gemeinsamen verschränkten Zustand projiziert und gemessen.So wird die Verschränkung auf die Atome übertragen, wobei das Messergebnis der Photonenmessung die erfolgreiche Erzeugung der Verschränkung verkündet.Nachdem nun die Atome miteinander verschränkt sind, ist es möglich, eine Messung an jedem Atom vorzunehmen und so den verschränkten Zustand zu untersuchen.Mit den verschränkten Atomen kann ein experimenteller Test der Bellschen Ungleichung durchgeführt werden.Hierzu wird die Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH)-Ungleichung, die bekannteste von mehreren äquivalenten Formulierungen der Ungleichung, verwendet.Sie bezieht sich auf ein Experiment mit Teilchenpaaren und zwei Messapparaturen: Die beiden Messapparaturen erhalten jeweils ein Teilchen eines Paares, um unabhängig voneinander eine von zwei möglichen (lokalen) Messungen durchzuführen.Die Messergebnisse für die vier verschiedenen Messungskombinationen werden in den Korrelatoren 𝐸 𝑎𝑏 zusammengefasst (𝑎, 𝑏 ∈ {0, 1}) und diese in der folgenden Art zusammengezählt 𝑆 = |𝐸 00 + 𝐸 01 |+|𝐸 10 -𝐸 11 |.Die CHSH-Ungleichung besagt 𝑆 ≤ 2 für LHV basierte Theorien, Quantenmechanik erlaubt jedoch für verschränkte Teilchenpaare Werte von 𝑆 ≤ 2 √ 2 .Die obengenannten Schlupflöcher werden wie folgt geschlossen: Zunächst wird durch die Verwendung des "entanglement swapping" Protokoll zusammen mit der Verkündung der Verschränkung eine Messung für jedes verschränkte Paar durchgeführt und das Detektionsschlupfloch ist automatisch geschlossen.Um das Entscheidungsschlupfloch zu schließen wird die Messrichtung für jedes Atom von zwei unabhängigen und schnellen Quantenzufallszahlengeneratoren gewählt.Außerdem wird ein schnelles Messverfahren angewandt, das mit einer maximalen Dauer von 1.1 µs (inklusive der Messrichtungswahl) eine raumartige Trennung der Messungen an den Atomen sichergestellt.Eine Messung mit 10000 Messereignissen lieferte mit einem 𝑆 = 2.222 ± 0.033 eine nahezu eindeutige Verletzung der Ungleichung.Eine genauere Analyse der Daten mittels eines extra an das Experiment angepassten Hypothesentest ergibt eine Wahrscheinlichkeit von 𝑝 ≤ 1.739 ⋅ 10 -10 , dass ein Experiment in einer durch LHV Theorien beschrieben Welt vergleichbare Messdaten produziert.Dies erlaubt eine Zurückweisung der lokal-realistischen Weltsicht.Eine der wenigen Annahmen, die gemacht wurden, um das Experiment durchzuführen, ist, dass die Quantenzufallszahlengeneratoren, die auf einem spezifischen physikalischen Model basieren, wirklich unabhängige und unvorhersagbare Zufallszahlen liefern.Die Tatsache, dass es unmöglich ist, die Zufälligkeit von Zufallszahlen zu beweisen, ist ein grundsätzliches Problem der experimentellen Tests der Bellschen Ungleichung.Um dieses Problem anzugehen, wurden in Zusammenarbeit mit 12 anderen Forschungsgruppen unter der Führung des ICFO Instituts, Barcelona, zeitgleich 13 Experimente durchgeführt, wobei Messrichtungen durch von Menschen erzeugten Zufallszahlen bestimmt wurden.So ersetzt der freie Wille der Menschen das physikalische Model der Zufallszahlen.Der hier beschriebene Münchener Beitrag ist ein Test der CHSH Ungleichung mit Atom-Photon-Verschränkung, welcher 𝑆 = 2.427 ± 0.022 ergab und damit den lokal-realistischen Theorien widerspricht.B. Definition of the Coordinate System, Polarization, and Atomic States C. On the Entangled Atom-Photon State D. Light field of the ODT near its focus E. Hong Ou Mandel effect for unpolarized photons F. Technical Details of the Experimental Setup G. Formulary
In einer vollständigen Theorie gibt es zu jedem Element der Realität stets ein entsprechendes Element. Eine hinreichende Bedingung für die Realität einer physikalischen Größe ist die Möglichkeit, sie mit Sicherheit vorherzusagen, ohne das System zu stören. In der Quantenmechanik schließt im Falle von zwei physikalischen Größen, die durch nicht-kommutierende Operatoren beschrieben werden, das Wissen von der einen das Wissen von der anderen aus. Dann ist entweder (1) die Beschreibung der Realität, die durch die Wellenfunktion in der Quantenmechanik gegeben wird, nicht vollständig oder (2) diesen beiden Größen kann nicht gleichzeitig Realität zukommen. Die Betrachtung des Problems, Vorhersagen bezüglich eines Systems auf der Grundlage von Messungen zu machen, die an einem anderen System, das zuvor mit dem ersteren in Wechselwirkung stand, ausgeführt wurden, führen auf das Ergebnis, daß wenn (1) falsch ist, dann auch (2) falsch ist. Man wird so zu dem Schluß geführt, daß die Beschreibung der Realität, wie sie von der Wellenfunktion geleistet wird, nicht vollständig ist.
Abstract Die grundlegenden Begriffe der Quantentheorie werden analysiert. Es wird dabei untersucht, wie weit die Ergebnisse der orthodoxen Quantentheorie mit Notwendigkeit aus dem experimentellen Material folgen. Als Ergebnis dieser Analyse wird geschlossen, daß auf gewisse spekulative Resultate der Quantentheorie verzichtet werden kann und daß nach Weglassen dieser Resultate, wenigstens im Prinzip, es nicht unmöglich erscheint, für die Quantenerscheinungen ein Modell zu finden, welches einem klassischen Modell viel näher steht, als es im allgemeinen für möglich gehalten wird. Ein solches Modell würde gewisse unannehmbare, idealistische Folgerungen der Theorie unnötig machen, ohne dabei mit solchen Teilen der Theorie in Widerspruch zu geraten, die durch Experiment direkt bestätigt werden können. Das von uns proponierte Modell ist nur qualitativ, es operiert aber explizit mit Wirkungen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten. Es wird gezeigt, daß die Analyse der experimentellen Resultate notwendigerweise zur Annahme von Wirkungen führen, die mit Überlichtgeschwindigkeit fortgepflanzt werden.