Quantenmechanik und Thermodynamik können beide wahr sein, sagen Physiker – Physics World

Physiker in den Niederlanden und in Deutschland haben gezeigt, dass sowohl die Theorien der Thermodynamik als auch der Quantenmechanik gültige Methoden zur Beschreibung des Verhaltens von Photonen in einem Quantenprozessor sind. Die von Forschern der Universität Twente und der Freien Universität Berlin erzielten Ergebnisse öffnen die Tür zu einem tieferen Verständnis dafür, wie diese beiden großen Theorien in Einklang gebracht werden können.

Thermodynamik und Quantenmechanik sind Eckpfeiler der modernen Physik, aber in einer bestimmten, wichtigen Hinsicht passen sie nicht gut zusammen. Der Streitpunkt dreht sich um den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass sich ein geschlossenes System auf irreversible Weise in Richtung maximaler Entropie (einem Maß für die Unordnung oder das Chaos des Systems) bewegt. Die Theorie der Quantenmechanik hingegen ermöglicht die Rückrechnung früherer Zustände von Teilchen, sodass sowohl der Informationsfluss als auch der Zeitfluss reversibel sind.

In den letzten Jahren gab es mehrere Versuche, diesen Konflikt mithilfe verschränkter Quantensysteme wie ultrakalter Atome oder supraleitender Quantenbits (Qubits) zu untersuchen. Durch die Beobachtung, was passiert, wenn diese Systeme Thermalisierung und Gleichgewicht erreichen, sollte es möglich sein, ihre Entropie und Quantenzustände gleichzeitig zu messen und so das Paradoxon aufzulösen.

Das Problem besteht darin, dass Quantensysteme sehr empfindlich auf Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung reagieren. Dies macht es schwierig, ein wirklich geschlossenes System zu schaffen. Sie neigen auch dazu, ihre Quantennatur zu verlieren, ein Prozess, der als Dekohärenz bekannt ist und die Umsetzung der Zeitumkehr erschwert.

Photonik zur Rettung

Um diese Herausforderungen zu meistern, entschied sich das Team für die Untersuchung der Thermalisierung und des Gleichgewichts in Systemen verschränkter Photonen. Photonen haben mehrere Vorteile gegenüber Quantensystemen, die beispielsweise aus Atomen bestehen. Aufgrund ihrer intrinsischen Quantennatur leiden sie nicht unter Dekohärenz. Sie können bei Raumtemperatur untersucht werden, im Gegensatz zu den für Atome notwendigen extrem niedrigen Temperaturen, und sind durch Interferenz leicht zu manipulieren. Am wichtigsten ist, dass sie eine zeitliche Umkehrbarkeit ermöglichen: Jede Vermischung der Photonen kann durch die Durchführung der Umkehroperation rückgängig gemacht werden, was bedeutet, dass verschränkte Photonen tatsächlich „entwirrt“ werden können.

Im Experiment injizieren die Forscher zunächst einzelne Photonen in Wellenleiterkanäle auf einem Chip. Diese Photonen interferieren dort, wo sich die photonischen Kanäle auf dem Chip treffen und kreuzen. Diese Interferenz, die das Team mit thermooptischen Mach-Zehnder-Interferometern kontrollierte, erzeugt eine Überlagerung von Photonen in den Wellenleitern und ermöglicht den Aufbau einer Verschränkung. Die Photonen werden dann mit Einzelphotonendetektoren detektiert.

Gleichzeitig wahr

Um die lokalen und gesamten Entropiezuwächse des Systems zu bestimmen, führten die Forscher eine Reihe von Protokollen durch. Zeitreversibilität wurde beispielsweise durch die Entflechtung der Photonen implementiert, was aufgrund der vollständigen Kontrolle des Prozessors über das Experiment möglich war.

Nach Abschluss dieser Protokolle zeigten Messungen in den einzelnen Ausgangskanälen des Experiments, dass die Photonenzahlen nicht mehr genau definiert werden konnten. Dies liegt daran, dass sich die Photonen in einem verschränkten Zustand befanden und nicht mehr wie am Eingang einzeln in einem einzigen Kanal lokalisiert waren. Die von den Forschern in jedem Kanal gemessenen Photonenstatistiken zeigten jedoch, dass die Entropie in allen Kanälen lokal zunahm, was im Einklang mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik steht. Gleichzeitig ist die Verschränkung, die sich zwischen Photonen aufgebaut hat, in den einzelnen Kanälen nicht sichtbar: Erst bei der Betrachtung des Gesamtsystems wird deutlich, dass der gesamte Quantenzustand in reiner Form vorliegt, was der Quantenmechanik entspricht.

Zur abschließenden Kontrolle führten die Physiker Operationen durch, um den Prozessor wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen (Zeitumkehr). Der Erfolg dieser Operationen bewies, dass die Prozesse der Thermalisierung und des Gleichgewichts auf einer Verschränkung zwischen den Quantenteilchen und nicht auf Wechselwirkungen mit der Umgebung beruhen. Das Experiment zeigte also, dass Thermodynamik und Quantenmechanik gleichzeitig wahr sein können.

Hochwertige Daten

Laut Pepijn Pinkse, einem Quantenoptik-Experten an der Universität Twente, bestand die größte Herausforderung für das Team darin, genügend hochwertige Daten für die Durchführung der Messungen zu erhalten. Geringe Verluste im photonischen Prozessor hätten geholfen, sagt er, und mehr Photonen und größere Prozessoren sollten es ihnen ermöglichen, mehr Systeme zu simulieren. Das schwächste Element in der Kette, fügt er hinzu, scheint die Photonenquelle zu sein: „Wir haben mindestens zwölf Eingangskanäle, aber nur drei Photonen gleichzeitig, mit denen wir experimentieren können, also gibt es dort Raum für Verbesserungen“, erzählt er Physik-Welt.

Die unbesungene Theorie: Warum Thermodynamik genauso wichtig ist wie Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie

Nicole Younger Halpern, ein Experte für Quantenthermodynamik am US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST), der nicht an der Forschung beteiligt war, sagt, das Experiment sei wichtig, weil es sich auf Photonen erstreckt, die frühere Arbeiten mit ultrakalten Atomen, gefangenen Ionen und supraleitenden Qubits umfassten. Dieser Wechsel der Plattform, sagt sie, ermöglichte es den Experimentatoren, den Prozess rückgängig zu machen, der dazu führte, dass das System intern ins Gleichgewicht kam, was den Schluss zuließ, dass das System während des Gleichgewichts seine Quantennatur beibehalten hatte. Dies erfordert ein „ausgezeichnetes Maß an Kontrolle“, stellt sie fest und fügt hinzu, dass die Herausforderung, diese Kontrolle zu erreichen, in den letzten Jahren bei Gruppen, die andere Plattformen nutzen, erhebliche Ängste hervorgerufen hat.

Die Forschung wird veröffentlicht in Nature Communications veröffentlicht .

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/