Es gibt die verbreitete Aussage, dass Quantenverschränkung, ein Schlüsselkonzept in der Quantenmechanik, kontraintuitiv sei. Diese Behauptung kann aber nicht nur Laien zugeschrieben werden, sondern findet sich auch bei Wissenschaftlern der Quantenmechanik wieder. Wie können wir uns das verständlich machen? Ich bearbeite dieses Thema auf Basis von vier miteinander verwobenen Gesichtspunkten: Erstens, auf einer theoretischen Ebene lege ich die hier relevanten Unterschiede zwischen der klassischen Physik und der Quantenmechanik vor. Dies geschieht hauptsächlich anhand des EPR Gedankenexperiment und den entsprechenden Standpunkten von Einstein et al. und Schrödinger. Zweitens, auf einer experimentellen Ebene veranschauliche ich die Kontraintuitivität der Quantenverschränkung im Zusammenhang mit einem spezifischen Forschungsfeld. Im Konkreten erfolgt dies anhand der Quanten-Optomechanik, genauer der Experimente der Forschungsgruppe „Quantum Foundations and Quantum Information on the Nano- and Microscale“ der Universität Wien. Drittens, auf einer persönlichen Ebene werte ich meine Interviews mit den Mitgliedern ebendieser Forschungsgruppe aus. Viertens, auf einer philosophischen Ebene mache ich mir Schlüsselkonzepte von Gaston Bachelards Epistemologie zunutze, wie zum Beispiel das epistemologische Profil oder einer durch Erfahrung belehrten Vernunft. Alle diese vier Aspekte werden zusammengenommen um zwei Aufgaben zu erfüllen: Einerseits die Konkretisierung der Besonderheiten und Merkmale der Kontraintuitivität im Kontext der Quantenverschränkung. Andererseits die Betrachtung der Frage ob und wie das Experimentieren mit Quantenverschränkung den Umgang mit dessen Kontraintuitivität erleichtert, zum Beispiel durch Gewöhnung. Im Großen und Ganzen stellt die Diplomarbeit keine tiefgreifende Analyse dieser beiden Themen zur Verfügung, sondern liefert eine plausible Annäherung an das Problem.
Es gibt die verbreitete Aussage, dass Quantenverschränkung, ein Schlüsselkonzept in der Quantenmechanik, kontraintuitiv sei. Diese Behauptung kann aber nicht nur Laien zugeschrieben werden, sondern findet sich auch bei Wissenschaftlern der Quantenmechanik wieder. Wie können wir uns das verständlich machen? Ich bearbeite dieses Thema auf Basis von vier miteinander verwobenen Gesichtspunkten: Erstens, auf einer theoretischen Ebene lege ich die hier relevanten Unterschiede zwischen der klassischen Physik und der Quantenmechanik vor. Dies geschieht hauptsächlich anhand des EPR Gedankenexperiment und den entsprechenden Standpunkten von Einstein et al. und Schrödinger. Zweitens, auf einer experimentellen Ebene veranschauliche ich die Kontraintuitivität der Quantenverschränkung im Zusammenhang mit einem spezifischen Forschungsfeld. Im Konkreten erfolgt dies anhand der Quanten-Optomechanik, genauer der Experimente der Forschungsgruppe „Quantum Foundations and Quantum Information on the Nano- and Microscale“ der Universität Wien. Drittens, auf einer persönlichen Ebene werte ich meine Interviews mit den Mitgliedern ebendieser Forschungsgruppe aus. Viertens, auf einer philosophischen Ebene mache ich mir Schlüsselkonzepte von Gaston Bachelards Epistemologie zunutze, wie zum Beispiel das epistemologische Profil oder einer durch Erfahrung belehrten Vernunft. Alle diese vier Aspekte werden zusammengenommen um zwei Aufgaben zu erfüllen: Einerseits die Konkretisierung der Besonderheiten und Merkmale der Kontraintuitivität im Kontext der Quantenverschränkung. Andererseits die Betrachtung der Frage ob und wie das Experimentieren mit Quantenverschränkung den Umgang mit dessen Kontraintuitivität erleichtert, zum Beispiel durch Gewöhnung. Im Großen und Ganzen stellt die Diplomarbeit keine tiefgreifende Analyse dieser beiden Themen zur Verfügung, sondern liefert eine plausible Annäherung an das Problem.
Das Phänomen der Verschränkung hat eine grundlegende Bedeutung in der Quantenphysik. Mathematisch is Verschränkung definiert durch die Inseparabilität von Quantenzuständen, die verwendet werden um Quantenobjekte zu beschreiben. Zustände, die nicht separabel sind, werden verschränkt genannt. Diese können räumlich getrennte Objekte oder verschiedene Eigenschaften desselben Objektes sein, welche nur durch einen gemeinsamen mathematischen Zustandvektor beschrieben werden können. Für die einzelnen Objekte gibt es keine separable Beschreibung. Physikalisch äußert sich Verschränkung zum Beispiel in nichtlokalen Eigenschaften, die auch experimentell nachgewiesen werden können. Klassische, lokale Konzepte, wie z.B. die Bell-Ungleichungen, werden durch Voraussagen der Quantenmechanik und aufgrund von Verschränkung verletzt, was man auch experimentell nachweisen kann. Man kann zeigen, dass klassische Konzepte der Lokalität und Realität hinderlich sind für ein besseres Verständnis der Natur. Verschiedene Anwendungen der Verschränkungstheorie haben breite Forschungsfelder eröffnet, wie zum Beispiel Quanteninformations-Theorie und -Verarbeitung und Quantenkryptographie. Die (spezielle) Relativitätstheorie ist eine klassische Theorie, die die Transformationseigenschaften zwischen Inertialsystemen beschreibt, in welchen die Gesetze der Physik unverändert bleiben. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Verbindung von Verschränkung und Relativitätstheorie, beziehungsweise, bietet eine Einleitung in beide Felder und die neueren Forschungsgegenstände der relativistischen Verschränkungstheorie. Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet haben gezeigt, dass Verschränkung im Allgemeinen nicht Beobachter-unabhängig oder Lorentz-invariant ist, wenn verschiedene Partitionen des Hilbertraumes betrachtet werden. Dies wurde anhand von zwei verschränkten Spin-1/2 oder zwei verschränkten Spin-1 Teilchen für verschiedene Quantenzustände gezeigt. Weiters präsentiert diese Diplomarbeit auch ein neues Beispiel für drei verschränkte Spin-1 Teilchen. Ihre relativistischen Transformationseigenschaften werden im letzten Kapitel untersucht. Es wird ebenfalls die Detektion von Vielkörperverschränkung für verschiedene inertiale Beobachter diskutiert.
Im Kern vertrete ich mit dieser Dissertation die These, dass es von grosser Bedeutung für verschiedene wissenschaftliche Disziplinen sein könnte, die in der Quantenphysik gewonnenen Erkenntnisse gründlich zur Kenntnis zu nehmen und dass, darüber hinaus, einige Prinzipien der Quantentheorie einigermassen direkt und erkenntnisbringend auf andere Gegenstandsbereiche übertragen werden können. Die Ergebnisse meiner Arbeit legen meines Erachtens nahe, dass im Falle einer solchen Rezeption der Quantenphysik nicht nur mit Wissenszuwachs und erweitertem Verständnis zu rechnen ist, sondern auch mit Veränderungen der Wissenschaftskultur, sowie der Kultur im Allgemeinen. Neben einer kurzen Behandlung des Observablen- und des Wahrscheinlichkeitsbegriffs fokussieren sich meine Untersuchungen vorrangig auf die Konzepte Komplementarität und Verschränkung. Hierbei ergeben sich u. a. die folgenden spezifischen Thesen: Im Bezug auf Observablen: - Der Observablenbegriff, der besagt, dass jedwede Aussage über den Zustand eines Quants nicht unabhängig von einer den Zustand probabilistisch verändernden Interaktion mit diesem Quant getroffen werden kann, gilt strengenommen auch für makroskopische Elements des Universums Im Bezug auf Wahrscheinlichkeit: - Die in der Quantenphysik vorgefundene und damit für die gesamte physikalische Realität in gewissem Mass gültige probabilistische Unvorhersagbarkeit von Ereignissen kann sowohl als Resultat eines absoluten Indeterminismus wie auch eines absoluten Determinismus interpretiert werden. - Die heute vorherrschende einseitige Deutung im Sinne eines absoluten Indeterminismus ist daher logisch nicht zu rechtfertigen und vermutlich eher kulturell bedingt. Im Bezug auf Komplementarität: - Das Verhältnis von subjektivem Bewusstsein und materiellem Körper als Beschreibungen eines Individuums ist strukturell isomorph zu dem Verhältnis von Welle und Teilchen als Beschreibungen eines Quants. - Ein Aspekt dieser Isomorphie ist, dass sich in beiden Fällen die jeweiligen Beschreibungen gegenseitig ausschliessen und sich weder aufeinander reduzieren noch in einer logisch kohärenten und rational fassbaren „Metabeschreibung“ verbinden lassen. - Stattdessen eignen sich für eine solche Metabeschreibung, z.B. der Konzeptualisierung einer den beiden Beschreibungen zugrunde liegenden und sie dadurch verbindenden „Realität“, nur rational nicht fassbare Beschreibungen, wie z.B. „Nichts“. - Dies impliziert eine unüberwindbare Beschränkung für jeden Versuch, mittels des Verstandes alleine, endgültige und eindeutige Erkenntnis über die Realität jenseits der Gegensätze zu gewinnen. - Dies wiederum dient als Hinweis auf die potentielle Unverzichtbarkeit von transrationalen (sog. akategorialen oder nichtdualen) Bewusstseinszuständen für einen umfassenden Bezug zur Realität und eine dementsprechend adäquate Interaktion mit ihr. - Die bewusste Auseinandersetzung mit o. g. Beschränkung des Verstandes und die Erkundung von möglichen ergänzenden Erkenntniswegen erscheint mir, vor allem in Anbetracht unserer gegenwärtig eher einseitig verstandesbetonten (Wissenschafts-) Kultur, von erheblicher Bedeutung zu sein. Im Bezug auf Verschränkung: - Die Phänomenologie bestimmter, bisher wissenschaftlich nicht abschliessend erklärbarer Gegebenheiten (wie z.B. telepathischer, präkognitiver und psychokinetischer Erfahrungen oder die berichtete Wirksamkeit verschiedener alternativmedizinischer Verfahren) deckt sich mit der Hypothese, dass es sich dabei um makroskopische Verschränkungseffekte analog zu denen in der Quantenphysik handelt. - Dies gilt insbesondere auch für die Nichtreproduzierbarkeit der genannten Phänomene unter experimentellen Bedingungen, da eine zuverlässige Reproduzierbarkeit einer Verletzung des für Verschränkungskorrelationen geltenden Signalübertragungsverbots entspräche. - Damit stellt sich u. a. die Frage, wie beweis- bzw. falsifikationsorientierte Wissenschaftskulturen mit der Tatsache verfahren sollen, dass potentiell reale und durchaus auch plausible Phänomene prinzipiell nicht experimentell reproduzierbar sein könnten. - Grundsätzlich ist es aufgrund der angestellten Überlegungen jedenfalls notwendig, die Möglichkeit der Faktizität der fraglichen Phänomene auch in Abwesenheit von wiederholbaren experimentellen Bestätigungen anzuerkennen. - Dies beinhaltet die Möglichkeit, dass Kategorien wie Bewusstsein, Bedeutung, Intention und Sinn via nicht-kausaler Korrelationen als strukturierende Kräfte in der physischen Realität wirken, zusätzlich zu den bisher bekannten kausalen Kräften. - Des Weiteren deutet es auf die Möglichkeit hin, dass das subjektive Erleben als eine unverzichtbare Instanz der Wahrheitsfindung neben der objektiven, oder zumindest intersubjektiv abstrahierten, Erkenntnis anerkannt werden muss. - Die Wahrnehmung und theoretische Aufarbeitung dieser Möglichkeiten ist, meiner Ansicht nach, von grosser Bedeutung für unsere gegenwärtige (Wissenschafts-)Kultur, insbesondere in kausalistisch ausgerichteten oder beweis- bzw. falsifikationsorientierten Forschungsgebieten. Neben der Herausarbeitung dieser und anderer Thesen soll meine Arbeit auch einen leicht zugänglichen und dennoch faktisch korrekten Überblick über die relevanten experimentellen Beobachtungen der Quantenphysik zur Verfügung stellen, um deren Rezeption in physikfernen Disziplinen zu erleichtern.
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
Verschränkung ist eine faszinierende Eigenart der Quantenphysik, die diese beträchtlich von klassischen Konzepten unterscheidet. Einerseits impliziert Verschränkung überraschende philosophische Aspekte, wie die Unvereinbarkeit von lokal-realistischen Theorien mit der Quantenphysik, andererseits kann sie erfolgreich für Aufgaben der Quanteninformation und Quantenkommunikation verwendet werden, um Protokolle im Hinblick auf klassische Prozeduren zu verbessern. Es ist noch immer ein offenes mathematisches Problem, herauszufinden, ob ein Quantenzustand verschränkt ist oder nicht; für einen allgemeinen Zustand auf einem beliebig dimensionalen Hilbertraum gibt es keine operationelle Vorgangsweise. Für reine Zustände und niedrig dimensionale Zweiteilchen-Systeme, z.B. für zwei Qubits, ist dieses Problem gelöst, da berechenbare notwendige und hinreichende Bedingungen für Separabilität (d.h. für Nicht-Verschränktheit) gefunden wurden. Außerdem kann die Verschränkung für ein Zwei-Qubit-System leicht quantifiziert werden. Für höher dimensionale und/oder Mehrteilchen-Systeme wurde in Bezug auf die Bestimmung und Quantifizierung von Verschränkung schon einiges erreicht, allerdings kann das Problem noch nicht als gelöst angesehen werden, vieles ist noch zu erforschen. In dieser Dissertation werden neue Methoden zur Bestimmung und Quantifizierung von Verschränkung für Systeme, die über Zwei-Qubit-Systeme hinausgehen, präsentiert. Zustände solcher Systeme werden üblicherweise durch Dichteoperatoren beschrieben und in Matrix-Schreibweise verwendet. Für hochdimensionale und/oder Mehrteilchen-Systeme können diese Dichtematrizen allerdings sehr unpraktisch werden. Mit Hilfe von Bloch-Zerlegungen können Dichteoperatoren kompakter und einfacher dargestellt werden. In dieser Schreibweise werden Dichteoperatoren in eine vollständige und orthogonale Operatorenbasis des Operatorenraums zerlegt. Für Qubits ist diese Schreibweise geläufig und üblicherweise werden die Pauli-Spin-1/2 Operatoren für die Operatorenbasis verwendet. Für Qudits, das sind Zustände allgemein dimensionaler Systeme, gibt es allerdings keine eindeutige Verallgemeinerung der Pauli-Operatorenbasis. Daher untersuchen wir drei mögliche Operatorenbasen: Die verallgemeinerte Gell-Mann-Operatorenbasis, die Polarisationsoperatorenbasis, sowie die Weyloperatorenbasis. Weiters wird eine Methode präsentiert, mit welcher die Zerlegung eines beliebigen Operators in eine der drei Operatorenbasen mit Hilfe der Zerlegung von sogenannten Standardoperatoren gefunden werden kann. Als Beispiel zur Anwendung dieser Methode betrachten wir den maximal verschränkten Zwei-Qudit Zustand und zerlegen diesen in jede der Operatorenbasen. Im Zusammenhang mit der Bestimmung von Verschränkung sind „Entanglement Witnesses'“ ein wichtiges und oft verwendetes Hilfsmittel. Diese sind Observablen und detektieren die Verschränkung eines Zustandes, sofern sie für diesen einen negativen Erwartungswert aufweisen, und wenn gleichzeitig bekannt ist, dass der Erwartungswert für alle separablen Zustände nicht negativ werden kann. Diese letztere Bedingung ist allerdings im Allgemeinen nicht leicht zu zeigen. In diesem Zusammenhang bietet sich die Verwendung von Bloch-Zerlegungen für vereinfachte Relationen an, und somit kann die Bedingung in vielen Fällen bewiesen werden. Eine besondere Klasse von Entanglement Witnesses sind geometrische Entanglement Witnesses, welche eine direkte euklidisch-geometrische Darstellung des Operatorenraumes erlauben. Die Wichtigkeit dieser Witnesses wird durch „Shift“-Methoden verdeutlicht, welche verschränkte und im Speziellen „bound entangled“ Zustände detektieren können, und außerdem helfen, die Menge der separablen Zustände von konvexen Untermengen von Zuständen zu bestimmen. Als Beispiel betrachten wir eine Drei-Parameter-Familie von Zwei-Qutrit Zuständen. Weiters können geometrische Entanglement Witnesses auch zur geometrischen Quantifizierung von Verschränkung verwendet werden, insbesondere zur Bestimmung des Hilbert-Schmidt Verschränkungsmaßes. Dies wird an den Beispielen der isotropen Zwei-Qudit Zustände und Zwei-Parameter Familien von Zwei-Qubit und Zwei-Qutrit Zuständen gezeigt. Zuletzt widmen wir uns dem Problem der Bestimmung von Verschränkung in Mehr-Qubit Systemen. In diesem Zusammenhang bieten wir eine allgemeine Konstruktion von Entanglement Witnesses unter Verwendung von statischen Strukturfaktoren an. In der Festkörperphysik beschreiben Strukturfaktoren dynamische Eigenschaften von Festkörpern in Streuexperimenten. Die strukturellen Entanglement Witnesses detektieren echte Mehrteilchen-Verschränkung, wie z.B. Dicke-Zustände und Dicke-ähnliche Zustände mit geänderten Phasen der vorkommenden Terme. Sie beinhalten außerdem nur Zwei-Punkt-Korrelationen und sind für die experimentelle Anwendung in verschieden physikalischen Systemen geeignet.
Diese Diplomarbeit befasst sich hauptsaechlich mit dem Nachweis und der Klassifizierung genuiner Vielteilchenverschraenkung in Quantensystemen, die aus beliebig vielen Qubits bestehen. Vielteilchen- verschraenkung ist die Grundlage der Vielkoerperphysik und es gibt viele potenzielle Anwendungen fuer sie in der Quanteninformation, etwa Quantenkryptographie. Wir beginnen diese Diplomarbeit mit einer kurzen Einfuehrung in quantenmechanische, endlich dimensionale Vielteilchenzustaende. Wir konzentrieren uns hauptsaechlich auf Teilchen mit zwei Freiheitsgraden, sogenannten Qubits, und deren Darstellungen. Anschließend legen wir unseren Fokus auf verschraenkte Zustaende und darauf wie man Verschraenkung detektieren und quantifizieren kann. Wir praesentieren die vier maximal verschraenkten Zustaende, die ein System, bestehend aus zwei Qubits, einnehmen kann und zeigen schematisch den Prozess des Distillierens von Verschraenkung. Dann kommen wir zum Haupthhema dieser Arbeit, Vielteilchenverschraenkung. Wir definieren k-separabilitaet und genuine Vielteilchen- verschraenkung, stellen einige genuin vielteilchenverschraenkte Zustaende vor und beschaeftigen uns mit der Detektion und der Klassifizierung solcher Zustaende. Im Hauptteil dieser Diplomarbeit prae- sentieren wir vier, von uns entwickelte Kriterien, die in wissenschaftlichen Journalen veroeffentlicht wurden. Mit all diesen Kriterien kann man genuin vielteilchenverschraenkte Zustaende detektieren und mit drei davon, ist es auch moeglich solche Zustaende zu Klassifizieren. Wir zeigen, dass die Zweckmaeßigkeit dieser Kriterien fuer Experimente, wegen ihrer hohen Widerstandsfaehigkeit gegen Stoerungen (noise resistance), der niedrigen Anzahl der Matrixelemente, die man von einem Zustand kennen muss um eines der Kriterien auf ihn anzuwenden und der Moeglichkeit jedes der vier Kriterien in Termen lokaler Erwartungswerte von Paulioperatoren anzuschreiben, vergleichsweise hoch ist. Im letzten Teil dieser Arbeit untersuchen wir, wie Verschraenkung entlang einer eindimensionalen, un- endlich langen, translationsinvarianten Kette aus Qubits verteilt sein kann und stellen eine Methode vor um Zustaende beliebig vieler benachbarter Qubits, einer solchen Kette, zu konstruieren. Die max- imale Menge an Verschraenkung, die in einem Zustand von zwei benachbarten Qubits stecken kann, ist hier das interessanteste Resultat. Wenn die naechste Nachbar Verschraenkung maximal ist, gibt es keine andere Art der Verschraenkung in dieser Kette. Wir zeigen, dass wenn das nicht der Fall ist, auch Verschraenkung zwischen einem Qubit und seinem ueberuebernaechstem Nachbarn moeglich ist. Außerdem zeigen wir, durch das Anwenden der von uns entwickelten Kriterien auf einen Zustand von vier benachbarten Qubits, dass auch genuine Vierteilchenverschraenkung in der Qubitkette moeglich ist.
Obwohl Störungen ist untrennbar mit einer klassisch-Welle Phänomen, ist das Superpositionsprinzip, die Störungen zu Grunde liegt im Herzen der Quantenphysik. Feynman genannten Störungen als wirklich "das einzige Geheimnis" der Quantenphysik [FLS63].Offensichtlich Störungen konfrontiert uns mit einigen grundlegenden Fragen der Auslegung der Quantenphysik. Trotz seiner langen Geschichte geht zurück auf Thomas Young zu Beginn des 19. Jahrhunderts, Quanten interferenzoptisch noch Herausforderungen unseres Verständnisses.Mit der Entwicklung der experimentellen Techniken zur schnellen und empfindlichen Messungen von Licht, ist es möglich geworden durchzuführen viele der gedankenexperiments deren Interpretationen wurden weithin im Laufe der Entwicklung der Quantenphysik [Whe84, SD82, SEW91, Per00] diskutiert. Die vorliegende Arbeit enthält die experimentelle Realisierung von drei verschiedenen gedankenexperiments: ein nicht-lokales Quantenradierer, Zwei-Photonen-Hong-Ou-Mandel Interferenz unter Bedingungen und Einstein Lokalität verzögerten Wahl Verschränkung Swapping. Der Zweck dieser Arbeit ist es, experimentell zeigen einige der counter-intuitive Features der Quantenphysik über verschiedene Quantenphänomene. Sie unterstreichen deutlich die unterschiedlichen Vorstellungen von Raum und Zeit, zwischen klassischer und Quantenphysik. Solche Augenbrauen-Anhebung Eigenschaften von Raum und Zeit in der Quantenphysik wurden "als eines der faszinierendsten Effekte in der Quantenmechanik beschrieben "[AZ05]. Die "spukhafte Fernwirkung" (in Einsteins Worten) eines verschränkten Systems ist in auffälliger Weise von Scully et al illustriert. 'S Quantenradierer [SD82, SEW91], in denen man wählen, ob oder nicht zu löschen, die kann- Pfadinformation eines Teilchens durch Ausführen einer geeigneten Messungen auf ein anderes Teilchen mit verschränkten es. Da die Quantenmechanik ist gleichgültig gegen die räumliche und zeitliche Reihenfolge der Messungen an verschränkten Teilchen, können Sie diese Auswahl beliebig verschoben werden und räumlich in Bezug auf das störende Ereignis des ersten Teilchens voneinander getrennt (siehe Kapitel 3). Wheeler dargestellten Grundsatz der Komplementarität mit Einzel-Photonen-Interferenz in einer verzögerten Wahl Gedankenexperiment [Whe84]. Im Gegensatz zur Einzel-Photonen-Interferenz (Störung zweiter Ordnung), die ein klassisches Analogon hat, ergibt sich Zwei-Photonen-Hong-Ou-Mandel (HOM) Störungen (Interferenzen vierter Ordnung) von der bosonischen Natur der Photonen und die unitäre Transformation von einem Strahlteiler. Wie von Mandel betonte, "diese Vorhersage hat kein klassisches Analogon, und seine Bestätigung wäre ein interessanter Test der Quantentheorie des elektromagnetischen Feldes dar" [Man83, Man99]. Die Realisierung der Zwei-Photonen-HOM Interferenzversuch unter Einstein Lokalität Bedingungen (dh die relevanten Ereignisse sind relativistisch space-like getrennt) deutlich erweitert Wheeler's verzögerten Wahl Gedankenexperiment Konzept (siehe 4.2). In der Quantenphysik, können die Ereignisse beeinflussen, wie wir die Daten in der Vergangenheit erzielten interpretieren. Dieses Phänomen wird in illustrierten Peres 'delayed-Wahl Verstrickung-Swapping Gedankenexperiment [Per00], wo man wählt, ob oder nicht zu verstricken zwei Teilchen, nachdem sie erkannt wurden und nicht einmal mehr zu existieren.Die Ergebnisse zeigen, dass die zeitliche Reihenfolge der Wahl und die Messung Veranstaltungen in einem solchen Experiment irrelevant ist, wie vorhergesagt durch die Quantenphysik (siehe 4.3). Die wichtigsten Merkmale der Experimente in dieser Arbeit vorgestellt werden: (1) High-Speed-elektro-optische Modulatoren von einem Quanten-Zufallszahlen-Generator, die zusammen ermöglichen es uns, schnell umzusetzen und zufällige Messung der Photonen gesteuert. (2) Die räumliche und zeitliche Beziehungen der verschiedenen Veranstaltungen, die im Raum-Zeit-Diagramme dargestellt werden können, sind in geeigneter Weise angeordnet, um nicht-klassischen und counter-intuitive Features der Quantenphysik zeigen.