Benutzer:StefanMz/Konspekt Zeilinger 2007

Aus Laboratorium

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Anton Zeilinger, Einsteins Spuk. Teleportation und weitere Mysterien der Quantenphysik, 2007, München, Goldmann

Das Buch handelt von der Quantentheorie. Das ist nicht mein Hauptthema. Mich interessiert daran vor allem, wie der Begriff der Information gefasst und verwendet wird. Zusätzlich ist es sicher auch ganz nett, etwas mehr über die Quantenphysik zu erfahren.

Zeilinger bereitet das Thema in Form einer fiktiven Geschichte von Alice und Bob auf. Aus den abstrakten Punkten A und B, zwischen denen es geschieht, werden hier also zwei Personen, denen eine Aufgabe gestellt wird. Sie sollen herausfinden, wie die Quantenverschränkung funktioniert.

Information

Information wird als Konzept eingeführt im Kapitel »Materie«. Zeilinger hat einen substanziellen (und keinen philosophischen) Materiebegriff. Ganz Physiker fragt er nur, woraus das Stoffliche gemacht ist und stellt fest, dass es allerlei kleinste und winzigste Objekte sind: Atome, Protonen, Elektronen etc. Ein Hamburger etwa bestehe aus 10^25 Atomen, doch woher wissen die Atome, wo sie jeweils hingehören? Offensichtlich mache den Hamburger nicht die Addition der Atome aus, sondern, dass die Atome wohlgeordnet an ihrem Hamburger-Platz sitzen. Und die Atome, Protonen und Elektronen bestehen ihrerseits aus noch kleineren Teilchen, Quarks usw.

Fazit:

»Offensichtlich ist die Information darüber, wie die Quarks und Elektronen angeordnet sein müssen, um die Atome zu bilden, und wie die Atome angeordnet sein müssen, um den Hamburger zu bilden, wichtiger als die Materie, aus der sich unser Objekt zusammensetzt. Die Materie ist immer dieselbe. Es hängt daher nur von der Information ab, was wir vor uns haben. Die Information sagt uns, wie all die einzelnen Bausteine relativ zueinander organisiert sind. Daher kommen wir zu einer wichtigen Schlussforgerung: Information ist der fundamentale Baustein des Universums.« (73)

Naiver geht es kaum. Es erinnert mich an eine fundamental-religiöse Auffassung, die aus der obigen Beschreibung folgern würde, dass so ein komplexes Werk der Natur wie einen Hamburger nur Gott hinbekommen könnte.

Nachdem »Information« also explizit als »Baustein«, also als Quasi-Substanz vor jeder Substanz definiert wurde, sind Schlüsse, wie der folgende nachvollziehbar. Aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation sind Ort und Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig bestimmbar. Jede Messung ändert den Zustand des Elektrons:

»Dabei wird der größte Teil der ursprünglichen Information unwiderruflich zerstört.« (88)

Informationen werden zerstört? Wenn Information eine Quasi-Substanz ist, muss das wohl so sein. Wenn Information aber nur das Verhältnis zwischen Forscher/in und Elektron beim messenden Zugriff darstellt, dann ist das Unsinn. Aufgrund der Orts-Impuls-Unschärfe kann eben nur eine Messrelation hergestellt werden. Es gibt keine intrinsische, irgendwie substanzhafte Information, die genuin »da« ist und dann explizit zerstört werden kann.

»Plötzlich stellen wir fest, dass es eine fundamentale Grenze gibt, dass wir sämtliche Informationen, die ein Elektron vollständig charakterisieren, niemals erlangen können.« (90)

Die informationelle Charakterisierung eines Elektron ist eine Handlung, eine messtechnisch hergestellte Beziehung. Es ist keine Aufdeckung eines in der Natur des Elektrons liegen Eigenschaft. Die Frage, was ein Elektron vollständig charakterisiert, ist keine, die das Elektron beantwortet, sondern die Forscherin selber, die die forschende Relation erst herstellt.

Teleportation

Im folgenden erzählt Zeilinger die Geschichte von der Quantenteleportation. Die Grundidee ist, nicht die Teilchen selbst von A nach B zu übertragen, sondern nur die »Information« über die Teilchen. Geht man von einem substanzialistischen Informationsbegriff aus, dann ergibt die Vorstellung Sinn, denn die Information ist das »eigentliche« der Materie, ist »der fundamentale Baustein des Universums«. Verwendet man hingegen einen relationalen Informationsbegriff bei dem die Information Ergebnis einer Handlung ist -- nämlich des messenden Zugriffs auf den Gegenstand --, dann stellt sich immer die Frage, was dort gemessen wird bzw. was der messende Zugriff mit dem Gegenstand macht.

Die Heisenbergsche Unschärferelation macht dies auch dem substanzialistisch denkenden Quantenphysiker klar, der -- in der Gedankenwelt der Informationssubstanz -- feststellt, dass »der größte Teil der ursprünglichen Information unwiderruflich zerstört« werde. Die Lösung besteht nun darin, nicht zu messen, sondern die »Information« auch ohne messenden Zugriff zu übertragen, denn schließlich muss ja nur das zu teleportierende Ding am Ende die »Information« erhalten:

»Wir brauchen lediglich so etwas wie einen Kanal, einen Tunnel, durch den die Information von A nach B gelangen könnte, ohne gemessen zu werden. (...) Den Kanal liefert die Quantenmechanik selbst durch die Verschränkung, jenes Phänomen, das Einstein "spukhaft" nannte.« (91)

Verschränkung bedeutet, dass die Teilchen eines Teilchenpaars beim Zugriff die gleichen Eigenschaften annehmen. Diese sind jedoch nicht deterministisch, sondern zufällig bzw. ergeben sich mit einer bestimmten (und bestimmbaren) Wahrscheinlichkeit, denn erst der Zugriff »erzeugt« das jeweilige zufällige Resultat. Die Teleportation nutzt nun die Möglichkeit statt des messenden Zugriffs per zweiter Verschränkung einem bereits verschränkten Teilchenpaar die Eigenschaften des zusätzlichen »hineinverschränkten« Teilchens aufzuprägen. Dabei können die ursprünglich verschränkten Teilchen beliebig weit voneinander entfernt sein. Durch die »Hineinverschränkung« des dritten Teilchens werden dessen Eigenschaften auf das ursprüngliche System übertragen und somit in Bezug auf das entfernte Teilchen »teleportiert«. Allerdings lässt sich die Fernübertragung nur nutzen, wenn gleichzeitig per klassischem Kanal die Zugriffsinformationen mitgeliefert werden, um die fernübertragene Eigenschaft auch tatsächlich »herauszuholen«, d.h. zu messen. Das liegt daran, dass der Akt der Verschränkung selbst ein Messvorgang ist und somit zufällige Resultate hervorbringt, deren Ergebnis am Ziel klassisch für das »richtige Herausholen« mitgeteilt werden muss.

Der Quantenkanal »tunnelt« also die Heisenbergsche Unschärferelation, während parallel »oberirdisch« die Information übermittelt wird, die erforderlich ist, um die durch den Tunnel »geschickte« Eigenschaft auch in »Empfang« nehmen zu können. Damit wird im übrigen auch die Lichtgeschwindigkeitsgrenze nicht verletzt, die durch die beliebig weite Entfernung der verschränkten Teilchen bei theoretisch gleichzeitigem »Senden« und »Empfangen« (also schneller als Lichtgeschwindigkeit) möglich wäre, da ohne die konventionell übertragene Information das »Empfangen« nicht möglich ist.

Im Dialog kommt die Kunstfigur des Prof. Quantinger dem nahe:

»Ein Signal muss etwas sein, wodurch wir jemand anderem etwas mitteilen können. Wenn wir auf das, was verschickt wird, keinen Einfluss haben, wenn wir über das, was verschickt wird, keine Macht haben, dann kann es uns eigentlich egal sein, ob sich etwas schneller als das Licht ausbreitet.« (228)

Interessant ist die »zeitversetzte Verschränkung«. Wenn je eines aus zwei verschränkten Photonenpaaren (A+B, X+Y) wiederum verschränkt wird (X+A), dann sind auch die beiden unbeteiligten und u.U. weit entfernten Photonen (Y+B) im Ergebnis verschränkt, d.h. die Verschränkung wurde teleportiert. Dieses Ergebnis wird auch erreicht, werden die kombinierende Verschränkung (X+A) zeitlich viel später erfolgt -- und zwar »rückwirkend«:

»Nun erhalten die ... früher schon erhaltenen Zufallsfolgen für die Photonen Y und B eine ganz andere Bedeutung. Sie müssen nun plötzlich die Tatsache reflektieren, dass die Photonen X und A nun verschränkt sind.« (305)

Die an der kombinierten Verschränkung unbeteiligten Photonen erweisen sich im Nachhinein als verschränkt. Wie kann das sein?

Es ist eine Frage der Interpretation der Messergebnisse. Die beiden getrennten verschränkten Photonenpaare liefern (hinsichtlich ihrer Polarisation) zufällige Ergebnisse, die nicht darauf hindeuten, dass sie etwas miteinander zu tun hätten:

»Wenn ... (die) Photonen X und A nie von jemandem gemessen werden, dann sind ... (die) Ergebnisse an den Photonen Y und B, für sich genommen, nichts als zufällige Zahlen, die keinerlei Information enthalten.«

Wird nun die Ergebnisse der kombinierten Verschränkungsmessung (der Polarisation) hinzugenommen, so lassen sich kombinierten Ergebnisse für die unbeteiligten Photonen nun systematisch interpretieren. Die Kombinationsmessung wirkt also als Schlüssel. Was aber ist dann »Information«? Warum ohne Schlüssel »keinerlei Information«, aber mit Schlüssel dann offenbar vollständige? Wo kommt sie her, nur aus dem Schlüssel? Was ist mit dem zufälligen Material, das »entschlüsselt« wird? Was ist das dann »Entschlüsselte«?

»Es ist ... nicht daran zu rütteln, dass die Ereignisse Ereignisse sind, aber die Begründung, warum sie so ausfallen, wie sie ausfallen, die Erklärung ihrer Bedeutung, eben ihre Interpretation, hängt offenbar von unseren Handlungen und Entscheidungen ab.« (309)

Genau! Doch den nun notwendigen Schluss will Zeilinger nicht ziehen: »Information« ist kein Substanzfaktum, sondern eine Relation, die bereits existiert oder erst hergestellt wird:

»Dies bedeutet, dass der Quantenzustand, den wir verwenden und den wir als Erklärung eines Ereignisses benützen, nichts Absolutes ist. Er hängt von allen Einzelheiten der Versuchsanordnung ab. Dies kann Einzelheiten einschließen, die erst in der Zukunft entschieden werden.« (309)

Informationssubstanzialismus

Zum Schluss noch ein Zitat, das die substanzialistische Informationsinterpretation veranschaulicht:

»Die Materie, aus der ein Objekt besteht, ist im Grund nicht wichtig. Unser Körper tauscht ständig Materie aus, nämlich Atome, die wir in Form von Nahrung zu uns nehmen oder ein- und ausatmen. Fortwährend werden irgendwo in unserem Körper Atome durch andere Atome ersetzt. Doch an uns als Personen ändert dieser Austausch überhaupt nichts.«

Am Rande: Wird hier nicht deutlich, dass es qualitativ unterschiedliche Existenzniveaus materieller Realität geben muss -- als nur einer einfach physikalischen? Weiter:

»Was zählt, ist auschließlich die Information. Die in einem System enthaltene Information bestimmt seine Identität, seinen orginalen Charakter. Das teleportierte Teilchen trägt daher die volle Information des Originals. Es ist daher das Original, auch wenn es nicht aus derselben Materie besteht.« (329)