Neue Verbindung zwischen Physik-Phänomenen entdeckt

Humboldt-Stipendiat an der Uni Siegen und internationale Physiker-Kollegen entschlüsseln mathematische Verbindung zwischen Quanten-Phänomenen: Superposition und Verschränkung existieren auch jenseits der Quantentheorie.

In den Welt der allerkleinsten Teilchen – der sogenannten Quanten – gibt es außergewöhnliche Phänomene, die unserer Alltagserfahrung komplett widersprechen und für Laien nur schwer nachvollziehbar sind. Beispielsweise können sich Quantensysteme in mehreren „Zuständen“ gleichzeitig befinden – bestimmte Messwerte stellen sich erst ein, wenn man auch tatsächlich eine Messung durchführt. Physikalisch wird das als „Superposition“ oder auch Überlagerung bezeichnet. Ein anderes typisches Quanten-Phänomen ist die Verschränkung: Zwei Teilchen sind auf eine besondere Art miteinander verbunden, egal, wie weit sie voneinander entfernt sind. So verrückt solche Phänomene auch erscheinen, sind sie die Grundlage für bahnbrechende Innovationen wie Quantencomputer oder den abhörsicheren Informationsaustausch, die so genannte Quantenkryptographie.

Um Quanten-Phänomene mathematisch zu beschreiben, wurde vor rund 100 Jahren die Quantentheorie entwickelt. Unter Physiker:innen gibt es jedoch Zweifel, ob sie tatsächlich die ultimative Theorie ist, aus der sich alles Übrige herleiten lässt – unter anderem, weil sie sich nicht so leicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinbaren lässt. Einer Gruppe internationaler Physiker ist es jetzt gelungen, eine mathematische Verbindung zwischen Superposition und Verschränkung herzustellen, die ganz ohne Quantentheorie auskommt. An dem Beweis war der Humboldt-Stipendiat Dr. Martin Plávala von der Universität Siegen federführend beteiligt. Die Erkenntnisse wurden im Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

„Unser Ergebnis zeigt, dass Superposition und Verschränkung keine spezifischen Phänomene der Quantentheorie sind. Beide Effekte existieren auch unabhängig von dieser Theorie“, erklärt der 30jährige Plávala, der seit zwei Jahren an der Universität Siegen im Bereich der Theoretischen Quantenoptik forscht. Eine Erkenntnis, die auch für praktische Anwendungen wie die Quantenkryptographie von Bedeutung ist: Denn die Berechnungen zeigen, dass quantenkryptographische Protokolle, die Phänomene wie die Verschränkung zur Informations-Verschlüsselung nutzen, in jedem Fall funktionieren – auch wenn die Quantentheorie in Zukunft durch eine andere Theorie ersetzt werden sollte.

Um diesen Nachweis zu erbringen, nutzten die Physiker so genannte „Allgemeine Probabilistische Theorien“ (GPTs). Dabei handelt es sich um eine mathematische Struktur zur Untersuchung physikalischer Fragestellungen, die ohne theoretischen Rahmen auskommt. Eine Vermutung, wie sich Superposition und Verschränkung auf diese Weise mathematisch verbinden lassen könnten, existierte bereits seit den 70er Jahren – sie erwies sich jedoch als sehr schwer lösbar. „Ich bin während meiner Doktorarbeit in Bratislava zum ersten Mal auf das Problem gestoßen und habe mich seitdem immer wieder damit beschäftigt. Später erfuhr ich auf einer Konferenz, dass internationale Kollegen ebenfalls an dem Problem arbeiten“, berichtet Martin Plávala.

Zusammen mit Dr. Ludovico Lami, Humboldt-Stipendiat an der Universität Ulm, Dr. Guillaume Aubrun von der Claude-Bernard-Universität in Lyon und Dr. Carlos Palazuelos von der Complutense-Universität in Madrid gelang es Plávala schließlich, auch das letzte Hindernis zu überwinden und den notwendigen mathematischen Beweis zu führen. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse formulierten die Wissenschaftler anschließend eine verallgemeinerte Version des Superpositionsprinzips, ohne dabei Bezug auf die Quantentheorie zu nehmen.

Da die Superposition der Schlüssel sowohl für das bekannteste Verfahren der Quantenkryptographie als auch für die Quanten-Verschränkung ist, gelang es den Physikern auf diese Weise erstmals, eine mathematische Verbindung zwischen den drei physikalischen Konzepten herzustellen und sie auf operative Theorien zu verallgemeinern. „Unsere Entdeckung ist theorieunabhängig, da sie zeigt, dass es in jeglicher physikalischen Theorie den einen Effekt nicht ohne den anderen geben kann“, fasst Plávala zusammen. Das gilt auch für mögliche neue Theorien, die PhysikerInnen in Zukunft noch entdecken könnten.

Publikationsnachweis:
Guillaume Aubrun, Ludovico Lami, Carlos Palazuelos, and Martin Plávala. Entanglement and Superposition Are Equivalent Concepts in Any Physical Theory. Phys. Rev. Lett. 128, 160402 – Published 22 April 2022.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.160402

Kontakt:
Dr. Martin Plávala
Arbeitsgruppe Theoretische Quantenoptik, Department Physik
E-Mail: martin.plavala@uni-siegen.de