Quantencomputer, die theoretischen Grundlagen
Ein rätselhaftes Quantenszenario
scheint gegen ein physikalisches Gesetz zu verstoßen
Es begann, als sie
1990 über ein überraschendes Wellenphänomen namens Superoszillation
schrieben. "Wir konnten nie wirklich sagen, was uns genau störte", sagte
Popescu, Professor an der Universität Bristol. "Seitdem kommen wir jedes
Jahr zurück und sehen es aus einem anderen Blickwinkel."
Die Originalgeschichte wurde mit Genehmigung
des Quanta Magazine nachgedruckt, einer redaktionell unabhängigen
Publikation der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das öffentliche
Verständnis der Wissenschaft zu verbessern, indem sie
Forschungsentwicklungen und Trends in der Mathematik sowie in den Natur-
und Lebenswissenschaften abdeckt.
Schließlich veröffentlichte das Trio im
Dezember 2020 einen Artikel in den Proceedings der National Academy of
Sciences, in dem erklärt wurde, was das Problem ist: In Quantensystemen
scheint die Superoszillation gegen das Gesetz der Energieerhaltung zu
verstoßen. Dieses Gesetz, das besagt, dass sich die Energie eines
isolierten Systems niemals ändert, ist mehr als ein physikalisches
Grundprinzip. Es wird jetzt als Ausdruck der fundamentalen Symmetrien
des Universums verstanden - ein "sehr wichtiger Teil des Gebäudes der
Physik", sagte Chiara Marletto, Physikerin an der Universität Oxford.
Physiker sind sich uneins, ob das neue
Paradoxon eine echte Verletzung der Energieerhaltung aufdeckt. Ihre
Einstellung zu dem Problem hängt zum Teil davon ab, ob einzelne
experimentelle Ergebnisse in der Quantenmechanik ernsthaft in Betracht
gezogen werden sollten, egal wie unwahrscheinlich sie auch sein mögen.
Die Hoffnung ist, dass die Forscher durch die Anstrengung, das Rätsel zu
lösen, in der Lage sein werden, einige der subtilsten und seltsamsten
Aspekte der Quantentheorie zu klären.
Spiegel-Trick
Aharonov hat das fragliche Szenario so
beschrieben, als würde man eine Kiste voller rotem Licht -
niederenergetische elektromagnetische Wellen - öffnen und einen
hochenergetischen Gammastrahl herausschießen sehen. Wie kann das
passieren?
Die Schlüsselzutat ist die Superoszillation,
ein Effekt, der dem zu widersprechen scheint, was jeder Physikstudent
über Wellen lernt.
Jede Welle, egal wie kompliziert, kann als
Summe von Sinuswellen unterschiedlicher Frequenzen dargestellt werden.
Die Schüler lernen, dass eine Welle nur so schnell schwingen kann wie
ihre höchstfrequente Sinuswellenkomponente. Kombinieren Sie also einen
Haufen rotes Licht, und es sollte rot bleiben.
Aber um 1990 fanden Aharonov und Popescu
heraus, dass spezielle Kombinationen von Sinuswellen Bereiche der
kollektiven Welle erzeugen, die schneller wackeln als jeder der
Bestandteile. Ihr Kollege Michael Berry veranschaulichte die Kraft der
Superoszillation, indem er zeigte, dass es möglich (wenn auch
unpraktisch) ist, Beethovens Neunte Symphonie zu spielen, indem man nur
Schallwellen unter 1 Hertz kombiniert - Frequenzen, die so niedrig sind,
dass sie für das menschliche Ohr einzeln nicht wahrnehmbar wären. Diese
Wiederentdeckung der Superoszillation, die bereits einigen
Signalverarbeitungsexperten bekannt war, inspirierte Physiker dazu, eine
Reihe von Anwendungen zu erfinden, von hochauflösender Bildgebung bis
hin zu neuen Radiodesigns.
Sandu Popescu
Sandu Popescu, a quantum physicist at the
University of Bristol, is known for devising thought experiments that
reveal new insights about core concepts.
Mit freundlicher Genehmigung der Royal
Society
So überraschend die Superoszillation auch
ist, sie widerspricht keinem physikalischen Gesetz. Aber als Aharonov,
Popescu und Rohrlich das Konzept auf die Quantenmechanik anwendeten,
stießen sie auf eine Situation, die geradezu paradox ist.
In der Quantenmechanik wird ein Teilchen
durch eine Wellenfunktion beschrieben, eine Art Welle, deren variierende
Amplitude die Wahrscheinlichkeit vermittelt, das Teilchen an
verschiedenen Orten zu finden. Wellenfunktionen können als Summen von
Sinuswellen ausgedrückt werden, genau wie andere Wellen.
Die Energie einer Welle ist proportional zu
ihrer Frequenz. Dies bedeutet, dass, wenn eine Wellenfunktion eine
Kombination mehrerer Sinuswellen ist, das Teilchen in einer
"Überlagerung" von Energien ist. Wenn seine Energie gemessen wird,
scheint die Wellenfunktion auf mysteriöse Weise zu einer der Energien in
der Überlagerung zu "kollabieren".
Popescu, Aharonov und Rohrlich entlarvten das
Paradoxon mit einem Gedankenexperiment. Angenommen, Sie haben ein Photon
in einer Box gefangen, und die Wellenfunktion dieses Photons hat eine
superoszillierende Region. Stellen Sie schnell einen Spiegel in den Weg
des Photons genau dorthin, wo die Wellenfunktion überschwingt und halten
Sie den Spiegel für kurze Zeit dort. Wenn das Photon während dieser Zeit
nahe genug am Spiegel ist, wird der Spiegel das Photon aus der Box
werfen.
https://www.wired.com/story/a-puzzling-quantum-scenario-appears-to-violate-a-law-of-physics/