Abstract Teilchenphysikern bei Belle am KEKB‐Beschleuniger in Tsukuba, Japan, ist es erstmals gelungen eine Verletzung der Bellschen Ungleichung bei Elementarteilchen nachzuweisen [1]. Damit konnten sie die Vollständigkeit der Quantenmechanik erneut bestätigen.
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.
Eigentlich ist es gar nicht so schwer, sich klarzumachen, daß Signale nicht gleichzeitig in der Zeit und in der Frequenz „lokalisiert“ sein können. Von der Frequenz in einem bestimmten Zeitpunkt zu sprechen ist sinnwidrig: Frequenzen benötigen stets eine gewisse Zeit, um oszillieren zu können. Viel schwerer ist es schon, sich vorzustellen, daß Elementarteilchen nicht gleichzeitig an einem bestimmten Ort sein und einen bestimmten Impuls haben können. Zunächst könnte man zu der Auffassung neigen, daß die Heisenbergsche Unschärferelation lediglich eine Grenze dessen beschreibt, was wir (infolge mangelnder Intelligenz oder Hilfsmittel) wissen können. Das ist aber nicht der Fall. Genau wie bei der Signalverarbeitung beschreibt auch die Heisenbergsche Unschärferelation nur die Realität: Elementarteilchen können tatsächlich nicht gleichzeitig an einem bestimmten Ort sein und einen bestimmten Impuls haben.
Die Nichtlokalität von Quantensystemen steht im Mittelpunkt der heutigen Physik. Sie ergibt sich direkt aus dem Superpositionsprinzip. Sie ist eine Eigenschaft, die aus dem Wellencharakter von Quantenobjekten folgt. Die Nichtlokalität gibt uns Physikern noch immer einige Rätsel auf. So hat man durch statistische Messungen mit Hilfe der Bellschen Ungleichungen nachweisen können, dass die Nichtlokalität nicht etwa ein scheinbarer Effekt ist, der nur auf Unkenntnis der wahren Verhältnisse zurückzuführen ist, sondern zu realen Effekten, wie z.B. der Quantenteleportation, führt. Diese Arbeit untersucht die nichtlokalen Korrelationen in kaonischen Systemen in Lichte der zwei Gebiete, nämlich der Teilchen Physik und der Grundlagen der Quantenmechanik. Der erste Teil bringt eine Einführung in die neutralen Kaonen. Die Verletzung der CP- Symmetrie (charge, parity) ist für das Verständnis der Elementarteilchenphysik von entscheidender Bedeutung, insbesondere zur Erklärung des Materieüberschusses bei der Teilchen-Antiteilchen Erzeugung im frühen Universium. Durch das Experiment von Christensen, Cronin und Fitch (1964) [1] wissen wir, dass beim Zerfall der neutralen Kaonen die CP- Symmetrie verletzt wird und dies bedeutet, dass auf Grund des CPT Theorems auch die Zeitumkehr T verletzt ist. Weiters wird im ersten Teil auch der Regenerationseffekt der Kaonen abgeleitet. Im zweiten Teil werden die verschränkten Quantensysteme besprochen. Die Standard- Interpretation der Quantenmechanik geht davon aus, dass die quantenmechanische Beschreibung eines Systems im allgemeinen nur statistische Aussagen über einzelne Messungen ermöglicht. Im Jahre 1935 konstuierten Einstein, Podolsky und Rosen [2] unter gewissen Annahmen (insbesondere Lokalität) ein Beispiel, das die Existenz verborgener lokaler Parameter zeigen sollte; dieses Beispiel wird als EPR Paradoxon bezeichnet. 30 Jahre später zeigte Bell [3] in seiner berühmten Ungleichung für bestimmte Messwerte, dass die Annahmen des EPR Paradoxons im Widerspruch zur Quantenmechanik stehen. Diese Ungleichung wurde 1969 von Clauser, Horne, Shimony, und Holt (CHSH) [4] für reale Experimente angepasst. Neben der CHSH-Ungleichung gibt es zahlreiche weitere Ansätze zur Verletzung der Bellschen Ungleichung. Im folgenden werden die Ungleichungen für Zweiteilchensysteme vorgestellt; dies sind CH [5] (Clauser,Horne), Wigner [6], CHSH [4] und Eberhard [7] Ungleichungen. Der dritte Teil bringt die Verwendung der Bell Ungleichungen für neutrale Kaonensysteme. Wir haben die Bell Ungleichungen mit Regenerator durch den Vergleich zwischen dem lokalen Realismus und Quantenmechanik getestet [8]. Damit haben wir zwei spezielle Ungleichungen - CH und Eberhard - näher diskutiert [9, 10, 11]. Zum Schluss wurde ein Loophole für diese speziellen Ungleichungen überprüft [9]. Hatice Tataroglu, Wien 2009
Nachdem wir uns einige wesentliche Züge der klassischen Beschreibung des Lichts in Erinnerung gebracht haben, wollen wir die für unsere Thematik wichtigsten neuen Aspekte zur Sprache bringen, die sich aus der Quantisierung des elektromagnetischen Feldes ergeben. Es erscheint angebracht, zuvor einen fundamentalen Unterschied zwischen klassischer und quantenmechanischer Naturbeschreibung deutlich zu machen, der uns bei der späteren Diskussion von Experimenten immer wieder begegnen und Kopfschmerzen verursachen wird. Es handelt sich um die physikalische Bedeutung dessen, was man als Unschärfe bezeichnet.
Der beispiellose Erfolg der Quantentheorie, die in zahlreichen Experimenten seit Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts bestatigt werden konnte, halt bis heute an. Dabei laufen einige ihrer Grundmerkmale unserer alltaglichen Intuition zuwider. Im Jahr 1935 stellten Einstein, Podolsky und Rosen das beruhmte Paradoxon der “spukhaften Fernwirkung” vor, das die angebliche Unvollstandigkeit der Quantentheorie (und die Notwendigkeit versteckter Parameter) belegen sollte. Klarheit schaffte erst John Bell, indem er 1964 zeigte, dass die Quantentheorie unvereinbar ist mit der Annahme des lokalen Realismus: Keine Theorie, in der sich alle physikalischen Einflusse hochstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und in der alle physikalischen Eigenschaften unabhangig von der Messung festgelegt sind, kann die Vorhersagen der Quantenmechanik korrekt wiedergeben. Dies folgt aus der Bellschen Ungleichung, einer oberen Schranke fur statistische Korrelationen zwischen zwei entfernten Messapparaten, die sich ausgehend vom lokalen Realismus herleiten l asst und in der Quantentheorie uberschritten wird.
Obwohl das Bellsche Theorem zunachst keine Aussage uber die Beschaffenheit der naturlichen Welt macht, legt es den Grundstein fur eine Prufung derselben durch Experimente mit verschrankten Teilchenpaaren an entfernten Messstationen. Seit den 70er Jahren ist die Verletzung der Bellschen Ungleichung mehrfach beobachtet worden, doch obwohl der lokale Realismus damit zunehmend als widerlegt gilt, bleiben Restzweifel. Alle bisherigen Experimente beruhten auf Annahmen, die Schlupflocher fur eine lokal realistische Erklarung, wie abwegig sie auch sein mag, offnen. Ein unbestreitbarer Nachweis w are erst durch ein Experiment erbracht, in dem alle Schlupflocher gleichzeitig geschlossen werden.
Man unterscheidet zwischen Schlupflochern in der Annahme der Unabhangigkeit zwischen den Messparteien und in der Auswertung der Messstatistik. Bei Ersteren handelt es sich um mogliche versteckte Beziehungen zwischen Messergebnissen oder -einstellungen, oder um versteckte Variablen, die eine scheinbare Verletzung des lokalen Realismus erklaren konnen. Dagegen lasst sich ein Experiment nur absichern, indem man die Wahl und die Durchfuhrung der Messungen beider Parteien raumzeitlich trennt, was unter anderem die Entwicklung schneller Zufallszahlengeneratoren erfordert.
Schlupflocher in der Auswertung der Messdaten sind kurz gesagt all jene, die durch verfeinerte Analyseverfahren geschlossen werden konnen. Das memory loophole etwa bleibt bestehen, solange man bei der Auswertung annimmt, dass die vielen Einzeldurchlaufe im Experiment unabhangig und gleich verteilt sind (IID: independent and identically distributed). Ein weiteres Schlupfloch besteht in der fair-sampling-Annahme, dass die tatsachlich aufgenommenen Messdaten eine ausgewogene Stichprobe aller im Messzeitraum detektierbaren Resultate darstellen. Bei niedriger Detektionseffizienz, wie sie in Experimenten mit Einzelphotonen typisch ist, kann nicht ausgeschlossen werden, dass eine scheinbare Bell-Verletzung durch eine einseitige Stichprobe vorliegt. Um dieses Schlupfloch zu schliesen, sind hohe Detektionseffizienzen von 2/3 oder mehr erforderlich. Hierzu stelle ich eine experimentelle Arbeit von mir und meiner Gruppe aus dem Jahr 2012 vor. Weiters beschreibe ich eine Analysemethode samt ihrer theoretischen Grundlagen, die wir zur Behebung des Erinnerungsschlupflochs unter Berucksichtigung mangelhafter Zufalligkeit in der Wahl der Messeinstellungen entwickelt haben.
Den Kern meiner Arbeit bildet unser 2015 durchgefuhrtes Experiment, in dem wir alle wichtigen Schlupflocher schliesen und eine starke Verletzung der Bell-Ungleichung beobachten konnten. Die Wahrscheinlichkeit dafur, dass der lokale Realismus weiterhin gilt und unsere Messung lediglich ein statistischer Ausreiser ist, betragt hochstens 3,74 x 10^{-31}. Dies entspricht einer Signifikanz von 11,5 Standardabweichungen bei Annahme unabhangig und gleich verteilter Einzelmessungen. Es wurden zwei Schlupflocher fur versteckte Abhangigkeiten zwischen beiden Messparteien in der Wahl und im Messergebnis geschlossen (locality loophole und freedom-of-choice loophole), sowie drei weitere in der Auswertung (fair-sampling loophole, coincidence-time loophole und memory loophole). Unsere Arbeit ist heute eines der glaubwurdigsten empirischen Zeugnisse gegen den lokalen Realismus.