Verschränkung in Vielteilchensystemen un der Teilchenphysik

Seit die Mitgründer der Quantentheorie, Einstein, Podolsky, Rosen und Schrödinger, ihre berühmten Arbeiten über Verschränkung im Jahr 1935 publiziert haben, versuchen PhysikerInnen und auch PhilosophInnen diese Quantenkorrelationen zu verstehen. Im Jahre 1964 wurde durch John S. Bells Arbeit allgemein bekannt, dass diese Korrelationen nicht durch gemeinsame lokale Ursachen verstanden werden können. In den folgenden Jahren kam es zu zahlreichen Experimenten, die die Manifestationen der Verschränkung zu beleuchten versuchten, und man erkannte immer deutlicher, dass Verschränkung eine Quelle für neue Anwendungen ist, zum Beispiel zum Erhöhen der Informationskapazität oder der Ermöglichung der sicheren Kryptographie. Wir werden in diesem Projekt eine sehr grundlegende Frage der Quantentheorie untersuchen, ob ein Zustand eines Vielteilchen-Systems mit beliebigen endlichen Freiheitsgraden oder ob ein Zustand eines Systems in der Hochenergiephysik verschränkt ist oder nicht. Diese Kenntnis über einen gewissen Zustand ist nicht einfach zu erhalten und wird derzeit intensiv untersucht, jedoch ist es sicher nur der erste Schritt. Was man wirklich wissen will, ist die Charakterisierung möglichst aller unterschiedlichen Aspekte der Verschränkung und ihrer Manifestationen im Experiment in einer systematischen und transparenten Weise. Dafür werden wir Verschränkungsmaße entwickeln, die die unterschiedlichsten Eigenschaften der Verschränkung herausgreifen. Dabei ist die Herausforderung Methoden zu entwickeln, um diese Maße auch in der Praxis berechnen zu können. Durch das Studium der Bell Ungleichungen und anderen Manifestationen von Verschränkung für höher dimensionale Systeme und Systeme in der Teilchenphysik werden wir Beziehungen zu den verschiedenen Aspekten der Verschränkung herstellen können. Das Hauptziel unseres Projektes ist durch das Studium von Quantensystem auf unterschiedlichen Energieskalen ein einheitliches und neues Bild von Verschränkungen und ihren Manifestationen zeichnen zu können und damit den Weg für mögliche neue Anwendungen der Quantentheorie zu ebnen.

Seit die Mitgründer der Quantentheorie, Einstein, Podolsky, Rosen und Schrödinger, ihre berühmten Arbeiten über Verschränkung im Jahr 1935 publiziert haben, versuchen PhysikerInnen und auch PhilosophInnen diese Quantenkorrelationen zu verstehen. Im Jahre 1964 wurde durch John S. Bells Arbeit allgemein bekannt, dass diese Korrelationen nicht durch gemeinsame lokale Ursachen verstanden werden können. Man kann es auch so ausdrücken: Die Summe der Einzelteile ist kleiner als das Ganze. In den folgenden Jahren kam es zu zahlreichen Experimenten, die die Manifestationen der Verschränkung zu beleuchten versuchten, und man erkannte immer deutlicher, dass Verschränkung eine Quelle für neue Anwendungen ist, zum Beispiel zum Erhöhen der Informationskapazität oder der Ermöglichung der abhörsicheren Kommunikation (Quantenkryptographie).Wir haben in diesem Projekt eine sehr einfache Frage an die Quantensysteme gestellt: ob ein Zustand eines Vielteilchen-Systems mit beliebigen endlichen Freiheitsgraden oder ob ein Zustand eines Systems in der Hochenergiephysik verschränkt ist oder nicht. Uns interessiert hier insbesondere auch, auf welche Arten ein Zustand verschränkt sein kann und wie man das herausfindet. Die Beantwortung ist nicht leicht und überdies wurde bewiesen, dass man die Frage im Allgemeinen nie in endlicher Zeit immer beantworten kann. Nichtsdestotrotz haben wir allgemeine Kriterien gefunden, die falls sie verletzt sind, uns über die Art der Verschränkung eine Aussage liefern. Hingegen, falls sie sozusagen versagen, haben wir nichts Neues über den Zustand gelernt. Es hat sich herausgestellt, dass einerseits unsere Kriterien sehr oft funktioniert haben und man unsere Kriterien auch direkt im Experiment anwenden kann. Damit eröffnen sich viele neue Möglichkeiten für Experiment. Wir vermuten, dass nun, da man die verschieden verschränkten Zustände unterscheiden kann, es zu neuen Ideen kommt, wie man diese neuen Eigenschaften sinnvoll nützen kann.