Gibt es ein Quant der Entropie?

Robert Wild, Roland Wester

Zusammenfassung Quantenmechanisches Tunneln ist ein Effekt, durch den ein Teilchen eine Energiebarriere durchdringen kann, obwohl es nicht genügend Energie besitzt, um diese zu überwinden. So können auch chemische Reaktionen stattfinden oder beschleunigt werden, selbst wenn die in der Reaktion verfügbare Energie nicht ausreichen würde. Auch in kalten interstellaren Wolken gibt es Reaktionen, die erst durch Tunneln ablaufen können. Allerdings ist das Berechnen einer solchen Reaktionsrate generell schwierig und nur bei den einfachsten Reaktionen möglich. In Experimenten bei niedrigen Temperaturen in Ionenfallen wurde die Tunnelreaktion zwischen D – und H 2 gemessen. Für diese Protonentransfer‐Reaktion gibt es genaue quantenmechanische Berechnungen. Die Ergebnisse bei hohen H 2 ‐Dichten zeigten einen zuvor unbekannten Effekt der Dynamik in Ionenfallen auf, der für stark erhöhte Reaktionsraten sorgte und mit Simulationen bestätigt wurde. Bei niedrigen H 2 ‐Dichten wurde eine Reaktionskonstante gemessen, die mit den Berechnungen auf Basis der Quantenmechanik übereinstimmt. Sie entspricht einer Reaktionswahrscheinlichkeit von etwa einmal pro 100 Milliarden Kollisionen.

Norbert Straumann

Christoph Spengler

Verschränkung ist eine der wichtigsten Besonderheiten der Quantentheorie, welche kein klassisches Analogon besitzt. Aufgrund dieser ist es nicht länger angemessen zusammengesetzte Systeme lediglich als eine Kombination von unabhängig voneinander beschreibbaren Subsystemen zu betrachten. Anstatt dessen gibt es Quantenzustände die inseparabel bezüglich der einzelnen Bestandteile des Systems sind. Wohingegen Verschränkung zunächst als eine Art künstlicher Fehler der Theorie angesehen wurde, hat sich deren Existenz mittlerweile durch zahlreiche Experimente bestätigt. Diese Gegebenheit hat weitreichende Konsequenzen. Auf einer fundamentalen Ebene lässt sich hiermit zeigen, daß es keine lokal-realistische Alternative zur Quantentheorie gibt. Zusätzlich stellt Verschränkung eine Ressource für neue Technologien der Informationsverarbeitung dar, wie z.B. Quantenkryptographie, Dense Coding, Quantenteleportation oder der Quantencomputer. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten gibt es noch viele offene Fragen bezüglich Verschränkung und deren Manifestationen. Dies gilt insbesondere für Verschränkung in komplexen Vielteilchensystemen. Gegenstand dieser Dissertation ist es Verschränkung und nicht-lokal-realitsche Korrelationen in zusammengesetzten endlich-dimensionalen Quantensystemen (Multipartite Qudits) zu untersuchen und zu verstehen. Um die Analyse solcher Systeme zu erleichtern, werden neue mathematische Hilfsmittel, wie zum Beispiel praktische Parameterisierungen von unitären Gruppen, Dichtematrizen und Unterräumen vorgestellt. Die Struktur von Verschränkung in Vielteilchensystemen wird betrachtet, und eine exakte Charakterisierung von Multilevel-Vielteilchenverschränkung wird eingeführt. Es werden Methoden zur Verschränkungsdetektion angegeben, und deren experimentelle Implementierung diskutiert. Ein weiteres Thema ist die Quantifizierung von Verschränkung. In diesem Zusammenhang wird ein nützliches Maß für Vielteilchenverschränkung vorgestellt. Darüber hinaus wird auch die Klassifizierung von Vielteilchenverschränkung thematisiert, und ein systematischer Ansatz zur Unterscheidung verschiedener Klassen angegeben. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit Relationen zwischen Verschränkung und anderen fundamentalen Aspekten der Quantentheorie. Insbesondere wird eine Verbindung zwischen dem Komplementaritätsprinzip und dem Separabilitätsproblem hergestellt. Besondere Aufmerksamkeit gilt auch dem Zusammenhang zwischen Verschränkung und nicht-lokal-realitischen Korrelationen. Hier wird eine geometrische Struktur, welche diskreten zusammengesetzten Systemen zugrunde liegt, verwendet, um deren Verschiedenartigkeit veranschaulichen zu können.

Fritz Baumann

Ralf Krüger

Gibt es den Geist oder nur das Gehirn? Der Band entfaltet mit den Mitteln der Quantentheorie eine originelle naturwissenschaftlich fundierte Theorie des Bewusstseins, die den blinden Flecken der modernen Neurowissenschaften begegnet.

Heinrich Greinacher