Das Teleportieren von Elektronen

Abstract:

In diesem Artikel wird das Teleportieren von Elektronen Schritt für Schritt verfolgt und erklärt. Wie ist dieses Teleportieren möglich, und... gäbe es einen Zusammenhang mit den so beliebten Science - Fiction Filmen? (Mehr dazu im Artikel!)

Dieser Artikel fängt mit dem wahrscheinlich verrücktesten Satz in der Geschichte der Artikel an: Teleportieren ist möglich! Dazu gibt es natürlich einige Einschränkungen und man kann (höchstwahrscheinlich eurer Meinung nach) nichts damit anfangen, doch ich ziehe es vor, euch vor allem das Ganze einmal wissenschaftlich zu beweisen. Dazu benötigen wir zuerst mal eine Portion Vorwissen:

Elementare Definitionen:

Klassische Physik vs. quantische Physik

Im Allgemeinen dient die Physik dazu, Dinge zu beschreiben, um die Welt um uns herum zu verstehen. Die klassische Physik "beschreibt" Dinge aus dem Alltag (z. B. die Bewegung eines Balls durch den Schulhof, die Tatsache, dass unsere Hand Dinge berühren kann, usw.). Mit "Beschreiben" ist gemeint, dass man die Funktionsweise eines bestimmten "Falles" physisch erklären kann. Die klassische Physik jedoch ermöglicht es uns nicht, Phänomene zu erklären, die man zum Beispiel auf einer subatomaren* Ebene (*alles was kleiner ist als ein Atom) entdeckt, ganz im Gegenteil zur quantischen Physik.

Elektron

Ein Elektron ist ein Elementarteilchen, in der klassischen Physik ein Teilchen, das man nicht weiter zerlegen kann, aus dem ein Atom besteht. (Natürlich gibt es dann auch noch die Quarks, doch wir wollen nicht so weit gehen.)

Auf dem Schema könnt ihr ein Atom und die Elektrone sehen. Ein Elektron ist negativ geladen. Um euch eine ungefähre Vorstellung von Elektronen zu geben: Die Elektrizität besteht aus ihnen. Sie "orbitieren" um den Atomkern und können, dem Zufall nach, von Orbit zu Orbit springen. Natürlich stimmt aber auch diese Erklärung nicht ganz: Wenn man es genau ausdrücken will, können wir Elektronen "auf" Orbitalen vorfinden.

Atomisches Orbital

Ein atomisches Orbital ist eine bestimmte Zone, die sich rund um das Atom befindet (siehe unten: Bild). Diese Zone definiert, dass an den angezeigten Stellen eine bestimmte Wahrscheinlichkeit besteht, dass dort ein Elektron auftaucht. In der quantischen Physik können sich die Elektronen nämlich immer von einem Ort zum nächsten, ganz "wie nach Belieben, teleportieren".

Zwei Elektronen mit einer "Phantom - Verbindung"

Zwei Elektronen mit einer "Phantom - Verbindung" (diese Benennug kommt von Einstein, der die Vorstellung hasste, dass die Physik die Dinge nicht voraussagen konnte) sind ein "Elektronen - Paar", die komisch miteinander "zusammenarbeiten". Das heißt: Wenn wir eine bestimmte Besonderheit eines der Mitglieder messen, wird die des anderen genau das Gegenteil des zuvor angegebenen Resultats sein. Das Thema, warum all das so funktioniert, ist bei vielen Physikern umstritten, und eigentlich ist dieses Rätsel bisher noch nicht richtig gelöst worden.

Nun aber zum eigentlichen Thema

Beim Teleportieren müssen wir zuerst ein Beispiel geben: ein Auto aus Lego. Stellen wie uns vor, wir bauen ein solches, und ein Freund, der fünfzig Kilometer weiter weg wohnt, will es nachbauen. Wir bauen das Auto also zuerst auseinander. Dann kontaktieren wir den Freund per Telefon und erklären ihm genau, wie er das Auto bauen soll. Also haben wir das Auto "teleportiert". Oder eher gesagt: Das würde gehen, wenn die Legostücke genau die gleichen sein würden. Jedenfalls dazu ein Schema:

Die quantische Welt macht es uns aber leichter, und mithilfe von Elektronen mit "spukhafter Fernwirkung" (Phantom - Verbindung) schaffen wir es, manche Elektronen zu teleportieren. Zuerst müssen wir aber etwas wissen: Ein Elektron besitzt eine Eigenschaft namens Spin, die man messen kann. Das Resultat deutet man entweder als "Spin up" oder "Spin down", das heißt, es gibt eine binäre Auswahl: In gewisser Weise entscheidet man über "Ja" oder "Nein, könnte man sagen. Dies könnt ihr euch so vorstellen:

Aufgepasst! Dies ist nur eine Vereinfachung der Realität und soll dazu führen, dass ihr die hier erwähnten Konzepte besser versteht. Das heißt, man soll sich nicht vorstellen, dass Elektronen rund wie Billardkugeln sind.

So, und jetzt zur Praxis: Wir nehmen zwei Elektronen mit spukhafter Fernwirkung namens "A" und "B". Die Elektronen sind noch in ihrem üblichen undefinierten Zustand, da sie ja noch nicht gemessen wurden. Eigentlich sind sie dann gleichzeitig "Spin up" und "Spin down". Um uns das Ganze zu erleichtern, stellen wir uns jetzt einfach vor, dass die beiden Elektronen "A" und "B" in Kisten stecken und wir nicht wissen, "welchen Zustand sie angenommen haben". Wenn wir nun also Elektronen teleportieren, wollen wir die Eigenschaften eines Elektrons auf einen anderen übertragen, damit dieser zweite dem ersten haargenau gleicht. Es gibt aber eine wichtige Sache zu behalten: Die einzige Eigenschaft eines Elektrons ist der Spin. Und jetzt wird es spannend. Wir wissen ja schließlich, wie man den Zustand eines Elektrons verändert: Durch Elektronen mit spukhafter Fernwirkung! Hier dazu ein Schema:

Was wir aber jetzt erreicht haben, ist eine Umänderung des Spins, und nicht eine Teleportation des Elektrons "A" an den ungefähren Ort, wo sich das Elektron "B" befindet. Irgendwie muss also etwas dazwischen kommen. Zu unserem aller Erstaunen aber heißt dieses bestimmte Etwas "Elektron C" und ist mit dem Elektron A verschränkt (Verschränkt bedeutet "mit spukhafter Fernwirkung"). Wichtig zu wissen ist: Direkt, nachdem Elektron C gemessen wurde, wird er vernichtet. Hier wieder mal ein Schema, um das Ganze besser zu verstehen:

Ihr werdet euch jetzt aber wahrscheinlich fragen, warum wir den Überlagerunszustand und nicht den Spin des Elektronen teleportiert haben. Die Erklärung ist ganz einfach: Nehmen wir mal an, der Elektron C hätte Spin - up. In diesem Zustand wären aber auch unzählige andere Elektronen mit Spin - up gleich, sodass es keinen richtigen Sinn hätte, diesen Zustand auf den Elektron B zu teleportieren. Man könnte genau so gut den Elektronen C mit einem anderen Elektronen vertauschen, und keiner würde es merken.

Deshalb nehmen wir den Überlagerungszustand dieses Elektronen, weil dieser ihn mehr beschreiben würde als sein Spin. Der Überlagerunszustand ist in der Physik sozusagen der "normale Zustand eines Elektron, bevor sein Spin gemessen wurde. Das heißt, das Elektron hat gleichzeitig den Zustand Spin - up und Spin - down. Ich werde euch jetzt wieder mal eine von meinen unzähligen Skizzen zeigen, damit ihr das Prinzip besser versteht:

Den Zustand auf dem Bild (siehe oben) könnte so etwas wie "Unentschieden" verheißen. Dies sieht absolut unmöglich aus, sodass einige Physiker tatsächlich bewiesen haben, dass es irgendwie absurd ist. Einer davon war Schrödinger. Er erzählte von folgendem Experiment: Stellen sie sich vor, man hat eine Katze in einer Kiste, während sich in der Kiste ein komplizierter Mechanismus befindet, der entweder ein Gefäß zerbricht, in dem sich Gift befindet oder nicht. Dies bestimmt einzig und allein ein Elektron. Hier spricht man aber nicht mehr vom Spin - Zustand, sondern von dem Zustand eines makroskopischen Objekts (solider Zustand, usw.).

Dieses Elektron hat wieder mal eine binäre Auswahl an Zuständen, die es als Lichtpartikel definieren (Nennen wir sie: "Zustand A" und "Zustand B"). Wenn das Elektron im "Zustand A" ist, stirbt Schrödingers Katze. Wenn nicht, also wenn es den "Zustand B" hat, überlebt die Katze. Bis zum diesem Punkt völlig einfach. Nun kommt aber das Problem: Solange das Elektron nicht beobachtet wird, nimmt es auch keinen Zustand an, das heißt, es ist im sogenannten "Überlagerunszustand", von dem vorher auch gesprochen wurde. Das heißt dann aber, dass Schrödingers Katze vor dem Öffnen der Kiste gleichzeitig tot und lebend wäre, was - so stimmen wir alle überein - praktisch unmöglich wäre. Hier noch mal ein kleines Schema dazu:

Hier geht's zu einem Video, in dem das Gedankenexperiment: "Schrödingers Katze" genauer erklärt wird: