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Physiker: "Ein rätselhaftes Quantenszenario scheint gegen ein physikalisches Gesetz zu verstoßen"
 
 
 
 
 
 
 
 
W I R E D

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/