Die Entdeckung der Quantenverschränkung ist ein revolutionärer Fortschritt • Earth.com

Ein Forscherteam des Structured Light Laboratory in Universität WitwatersrandSüdafrika hat bei der Quantenverschränkung erhebliche Fortschritte gemacht.

Unter der Leitung von Professor Andrew Forbes, in Zusammenarbeit mit dem renommierten String-Wissenschaftler Robert de Mello Koch, der jetzt bei ist Huzhou-Universität In China demonstrierte das Team erfolgreich eine neue Möglichkeit, quantenverschränkte Teilchen zu manipulieren, ohne ihre intrinsischen Eigenschaften zu verändern.

Diese Leistung stellt einen großen Schritt in unserem Verständnis und der Anwendung der Quantenverschränkung dar.

Topologie in der Quantenverschränkung

„Dies gelang uns, indem wir zwei identische Photonen miteinander verschränkten und ihnen eine gemeinsame Wellenfunktion zuordneten“, erklärt Pedro Ornelas, Masterstudent und Hauptautor der Studie. „Dieser Prozess macht ihre kollektive Struktur bzw. Topologie erst klar, wenn man sie als a betrachtet.“ einzelne Einheit.“

Dieses Experiment dreht sich um das Konzept der Quantenverschränkung, die als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet wird und bei der Teilchen den Zustand des anderen beeinflussen, selbst wenn sie durch weite Entfernungen voneinander getrennt sind.

Dabei spielt die Topologie eine entscheidende Rolle. Es stellt sicher, dass bestimmte Eigenschaften erhalten bleiben, so wie eine Kaffeetasse und ein Donut aufgrund ihres einzigen, unveränderlichen Lochs topologisch gleichwertig sind.

„Unsere verschränkten Photonen sind ähnlich“, erklärt Professor Forbes. „Ihre Verschränkung ist flexibel, einige Eigenschaften bleiben jedoch konstant.“

Die Studie befasst sich insbesondere mit der Skyrmion-Topologie, einem Konzept, das Tony Skyrmion in den 1980er Jahren eingeführt hat. In diesem Szenario bezieht sich Topologie auf eine allgemeine Eigenschaft, die unverändert bleibt, beispielsweise die Textur eines Stoffes, unabhängig davon, wie er behandelt wird.

Anwendungen der Quantenverschränkung

Skyrmionen, die ursprünglich in magnetischen Materialien, Flüssigkristallen und ihren optischen Gegenstücken untersucht wurden, werden in der Physik der kondensierten Materie für ihre Stabilität und ihr Potenzial in der Datenspeichertechnologie gelobt.

„Wir wollen mit unseren quantenverschränkten Skyrmionen ähnliche transformative Effekte erzielen“, fügt Forbes hinzu. Im Gegensatz zu früheren Forschungen, die den Standort von Skyrmionen auf einen einzigen Punkt beschränkten, stellt diese Studie einen Paradigmenwechsel dar.

Wie Ornelas sagt: „Wir verstehen jetzt, dass Topologie, die traditionell als lokal angesehen wird, tatsächlich nicht lokal sein und von räumlich getrennten Einheiten gemeinsam genutzt werden kann.“

Dementsprechend schlägt das Team vor, die Topologie als Klassifizierungssystem für verschränkte Zustände zu verwenden. Dr. Ishaq Naib, ein Co-Forscher, vergleicht dies mit einem Alphabet aus verworrenen Zuständen.

„So wie wir Felder und Donuts anhand ihrer Löcher unterscheiden, können unsere Quantenskyrmionen anhand ihrer topologischen Merkmale klassifiziert werden“, erklärt er.

Schlüsselideen und zukünftige Forschung

Diese Entdeckung öffnet die Tür zu neuen Quantenkommunikationsprotokollen, die die Topologie als Mittel zur Verarbeitung von Quanteninformationen nutzen.

Solche Protokolle könnten die Art und Weise, wie Informationen in Quantensystemen kodiert und übertragen werden, revolutionieren, insbesondere in Szenarien, in denen herkömmliche Verschlüsselungsmethoden aufgrund minimaler Verschränkung versagen.

Unterm Strich liegt die Bedeutung dieser Forschung in der Möglichkeit, sie vor Ort anzuwenden. Jahrzehntelang war die Aufrechterhaltung vernetzter Staaten eine große Herausforderung.

Die Ergebnisse des Teams legen nahe, dass die Topologie auch dann intakt bleiben kann, wenn die Verschränkung zerfällt, was einen neuen Verschlüsselungsmechanismus für Quantensysteme darstellt.

Professor Forbes schließt mit einer zukunftsgerichteten Aussage: „Wir sind jetzt bereit, neue Protokolle zu definieren und die weite Landschaft nichtlokaler Quantenzustände zu erkunden, die unsere Herangehensweise an Quantenkommunikation und Informationsverarbeitung revolutionieren könnten.“

Mehr über Quantenverschränkung

Wie oben erläutert, ist die Quantenverschränkung ein faszinierendes und komplexes Phänomen in der Welt der Quantenphysik.

Es handelt sich um einen physikalischen Prozess, bei dem Paare oder Gruppen von Teilchen räumliche Nähe erzeugen, interagieren oder teilen, sodass der Quantenzustand jedes Teilchens nicht unabhängig vom Zustand der anderen Teilchen beschrieben werden kann, selbst wenn die Teilchen durch a getrennt sind großer Abstand. .

Entdeckung und historischer Kontext

Die Quantenverschränkung wurde erstmals 1935 von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen theoretisiert. Sie schlugen das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon (EPR) vor und stellten damit die Vollständigkeit der Quantenmechanik in Frage.

Einstein bezeichnete die Verschränkung bekanntermaßen als „spukhafte Wirkung aus der Ferne“ und brachte damit sein Unbehagen über die Vorstellung zum Ausdruck, dass sich Teilchen über weite Entfernungen augenblicklich gegenseitig beeinflussen könnten.

Prinzipien der Quantenverschränkung

Im Zentrum der Quantenverschränkung steht das Konzept der Superposition. In der Quantenmechanik existieren Teilchen wie Elektronen und Photonen in einem Überlagerungszustand, was bedeutet, dass sie gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen können.

Wenn zwei Teilchen verschränkt sind, stehen sie in einer Weise in Beziehung, dass der Zustand des einen (sei es Spin, Position, Impuls oder Polarisation) sofort mit dem Zustand des anderen in Zusammenhang steht, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.

Quantenverschränkung in Computer und Kommunikation

Quantenverschränkung stellt klassische Vorstellungen physikalischer Gesetze in Frage. Es weist darauf hin, dass Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können, was Einsteins Relativitätstheorie widerspricht.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass verwertbare Informationen sofort übertragen werden, was gegen die Kausalität verstoßen würde; Es impliziert vielmehr eine tief verwurzelte Vernetzung auf der Quantenebene.

Eine der aufregendsten Anwendungen der Quantenverschränkung liegt im Bereich des Quantencomputings. Quantencomputer nutzen verschränkte Zustände, um komplexe Berechnungen mit Geschwindigkeiten durchzuführen, die klassische Computer nicht erreichen können.

In der Quantenkommunikation ist die Verschränkung der Schlüssel zur Entwicklung hochsicherer Kommunikationssysteme wie Quantenkryptographie und Quantenschlüsselverteilung, die theoretisch immun gegen Hackerangriffe sind.

Empirische Validierung und aktuelle Forschung

Seit ihren theoretischen Anfängen wurde die Quantenverschränkung mehrfach experimentell nachgewiesen, was ihre seltsame und kontraintuitive Natur unterstreicht.

Am bekanntesten sind die Bell-Test-Experimente, die wichtige Beweise gegen lokale Theorien versteckter Variablen und zugunsten der Quantenmechanik lieferten.

Kurz gesagt, die Quantenverschränkung, der Eckpfeiler der Quantenmechanik, ist nach wie vor Gegenstand intensiver Forschung und Debatte. Seine rätselhafte Natur stellt unser Verständnis der physischen Welt in Frage und ebnet den Weg für potenziell revolutionäre Entwicklungen in der Technologie.

Mit fortschreitender Forschung finden wir möglicherweise weitere praktische Anwendungen für dieses seltsame Phänomen und enthüllen so weitere Geheimnisse des Quantenuniversums.

Die vollständige Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphotonik.

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