Quantenverschränkung - Warum ist eine Informationsübertragung nicht möglich?

[Cordess]

In folgendem Video wird in einem Experiment die Quantenverschränkung und Quanten-Nichtlokalität aufgezeigt:

YouTube - Quantenphysik | Teil 3/3

Siehe auch:
Lokalität (Physik) ? Wikipedia
Quantenverschränkung ? Wikipedia



In der Wikipedia steht nun, daß ein Informationsaustausch über eine große Strecke damit in Zeit t=0 oder t lim--> 0 nicht möglich ist.

Aber warum eigentlich?


Wenn wir den Aufbau des Experiment aus obigem Video nehmen.
Und dann die Strecke links (wir nennen sie Stecke A) durch eine längere Strecke, z.b. zum Mond verlängern und für die Quelle des Laserstrahls diesen auf einen Satelliten plazieren, so daß sich dieser im Vakuum befindet und am Schluß die andere Streckenhälfte rechts (diese nennen wir Strecke B) durch ein Spiegelsystem leiten, so daß sich die selbe Entfernung wie die Strecke A zum Mond ergibt, nur halt lokal auf dem Satelliten,
dann müßte man doch damit Informationen zum Mond in Zeit t = oder nahe 0 übermitteln können, wenn man die eigentliche Information erst am Ende
der Strecke B in das Proton durch z.B. einen Polarisationsfilter am Ende einspeist.
Damit würde der Laserstrahl also kontinuierlich gesendet werden, aber jedes einzelne verschränkte Proton beim Mond mit Lichtgeschwindigkeit eintreffen und auch nur mit Lichtgeschwindigkeit reisen.
Da aber die Information erst zum Schluß auf das Proton an der Strecke von B eingespeist wird, müßte das Proton an der Strecke von A, also auf dem Mond wegen der Quantenverschränkung die selbe Information erhalten
womit dann eine Datenübertragung in Nullzeit möglich sein müßte..

Der langsame Laserstrahl der nur mit Lichtgeschwindigkeit sich fortbewegt, wäre also nur ein Trägermedium.
Funktioniert das oder würden die Umlenkspiegel in Strecke B schon das Ergebnis derart verfälschen, daß in Strecke A nicht mehr die gleiche Information ankommt?
Aber kann das sein? Wenn das Proton mehrmals in Strecke B verändert wird, dann müßte das verschränkte Proton auf Strecke A ja jede dieser Veränderungen ebenfalls mitmachen.

Bezügl. der Auffächerung des Laserstrahls gehen wir davon aus, daß der Schirmdetektor am Mond einfach groß genug ist und jedes auftreffende Proton registrieren zu können.


Siehe Grafik:
PS: In der Grafik habe ich leider den Kristall vergessen, der das verschränkte Proton erzeugt,
den muß man sich dann halt dazu vorstellen.

[Agent Scullie]

Wenn wir den Aufbau des Experiment aus obigem Video nehmen.
Und dann die Strecke links (wir nennen sie Stecke A) durch eine längere Strecke, z.b. zum Mond verlängern und für die Quelle des Laserstrahls diesen auf einen Satelliten plazieren, so daß sich dieser im Vakuum befindet und am Schluß die andere Streckenhälfte rechts (diese nennen wir Strecke B) durch ein Spiegelsystem leiten, so daß sich die selbe Entfernung wie die Strecke A zum Mond ergibt, nur halt lokal auf dem Satelliten,
dann müßte man doch damit Informationen zum Mond in Zeit t = oder nahe 0 übermitteln können, wenn man die eigentliche Information erst am Ende
der Strecke B in das Proton durch z.B. einen Polarisationsfilter am Ende einspeist.

das Problem ist, dass der Beobachter am Ende der Strecke A, also auf dem Mond, nicht erkennen kann, wie der Polarisationsfilter am Ende der Strecke B, auf der Erde ausgerichtet ist. Alles, was er misst, ist, dass das bei ihm ankommende Photonen entweder durch den bei ihm aufgestellten Filter hindurchgeht oder eben nicht. Was das andere Photon, am Ende der Strecke B, tut, ob es durch den dortigen Filter geht oder nicht, kann er nicht wissen. Das weiß er erst, wenn beide Beobachter, der auf dem Mond und der auf der Erde, ihre Messergebnisse vergleichen, was ihnen aber nur durch einen unterlichtschnellen Informationstransfer möglich ist. Deswegen kann der EPR-Effekt selbst nicht zur Informationsübetragung genutzt werden.

Übrigens: das Lichtteilchen heißt Photon, von griechisch photos = Licht, nicht Proton. Das Proton ist ein ganz anderes Teilchen, das am Aufbau der Materie beteiligt ist. Atomkerne sind aus Protonen und Neutronen aufgebaut.

[Cordess]

das Problem ist, dass der Beobachter am Ende der Strecke A, also auf dem Mond, nicht erkennen kann, wie der Polarisationsfilter am Ende der Strecke B, auf der Erde ausgerichtet ist. Alles, was er misst, ist, dass das bei ihm ankommende Photonen entweder durch den bei ihm aufgestellten Filter hindurchgeht oder eben nicht. Was das andere Photon, am Ende der Strecke B, tut, ob es durch den dortigen Filter geht oder nicht, kann er nicht wissen. Das weiß er erst, wenn beide Beobachter, der auf dem Mond und der auf der Erde, ihre Messergebnisse vergleichen, was ihnen aber nur durch einen unterlichtschnellen Informationstransfer möglich ist. Deswegen kann der EPR-Effekt selbst nicht zur Informationsübetragung genutzt werden.

Aber ist es überhaupt wichtig zu wissen, wie der Polarisationsfilter am Ende der Strecke B eingestellt ist?

Reicht es nicht den Polarisationsfilter am Ende von Strecke A so einzustellen, daß nur Photonen mit kreisförmiger Polarisation durch den Filter gehen,
während alle anderen, also elliptisch und linear abgehalten werden.

Geht dann das Photon durch den Filter, dann registriert der Beobachter auf dem Mond eine 1, geht es nicht durch den Filter, dann registriert er eine 0.
Denn ob das Photon durch den Filter geht ist ja abhängig von der Polaristation des Photons und nicht von der Einstellung des Polarisationsfilter auf dem Satelliten.

Beim Satelliten, also Strecke B müßte man dann nur noch definieren, daß
eine kreisförmige Polarisation eine 1 ergibt, während die anderen beiden Polarisationen eine 0 bedeuten.

Macht man das Photon durch die Messung am Polaristationsfilter auf Strecke B also zu einer kreisförmigen Polarisation, dann bekommt man am Mond eine 1.
Macht man das Photon aber zu einer linearen oder elliptischen Polarisation, dann bekommt man auf dem Mond eine 0.

Oder habe ich hier etwas falsch verstanden und die Polaristation des Photons ist während dem Flug und insbesondere nachdem es den Polarisationsfilter passiert hat wieder undefiniert?


BTW, da das Photon laut folgendem WP Artikel 3 Arten von Polarisation kennt,
wäre es sogar denkbar 3 mögliche Zustände pro Photon zu übertragen.
Hier müßte man dann halt 2 Polarisationsfilter hintereinander schalten, der erste für lineare Polarisation, der zweite für elliptische, der dritte Zustand wäre ja schon durch die kreisförmige P. definiert.
Alternativ könnte man vielleicht auch einen weiteren Kristall einbauen und das Photon nochmals verschränken, so daß man 2 weitere Meßstrecken hat bei denen man 2 Polaristaionsfilter mit unterschiedlicher Polarisierung aufstellen könnte. Die Frage wäre halt nur, ob eine doppelte Verschränkung durch einen weiteren Kristall überhaupt möglich ist und ob das dabei herauskommende verschränkte Photon die Information des in den Kristall eingehenden Photons erbt,
Photon polarization - Wikipedia, the free encyclopedia

Übrigens: das Lichtteilchen heißt Photon, von griechisch photos = Licht, nicht Proton. Das Proton ist ein ganz anderes Teilchen, das am Aufbau der Materie beteiligt ist. Atomkerne sind aus Protonen und Neutronen aufgebaut.

Ja, da hast du Recht. Ich habe das heute Morgen vollkommen übersehen.
Keine Ahnung warum ich Proton geschrieben habe, normalerweise sollte ich das wissen.

[Agent Scullie]

Aber ist es überhaupt wichtig zu wissen, wie der Polarisationsfilter am Ende der Strecke B eingestellt ist?

welche Information sollte sonst vom Ende der Strecke B zum Ende der Strecke A übertragen werden? Wenn der Beobachter die Einstellung des Polarisationsfilters erkennen könnte, könnte dadurch Information zu ihm übertragen werden.

Reicht es nicht den Polarisationsfilter am Ende von Strecke A so einzustellen, daß nur Photonen mit kreisförmiger Polarisation durch den Filter gehen,
während alle anderen, also elliptisch und linear abgehalten werden.

ging es im Video nicht um zwei lineare Polarisationsrichtungen? Lineare Polarisation ist eine Linearkombination aus zwei kreisförmigen Polarisationen, ein Polarisationsfilter für kreisförmig polarisiertes Licht (falls es einen solchen geben würde) würde daher linear polarisiertes Licht nicht vollständig sperren.

Und nein, es würde nicht reichen, den einen Filter so einzustellen, dass er nur in z.B. y-Richtung polarisiertes Licht durchlässt und in z-Richtung polarisiertes Licht sperrt. Denn wenn der andere Beobachter seinen Filter ebenfalls so einstellt, dass er nur in y-Richtung polarisiertes Licht durchlässt, kann er, wenn bei ihm z.B. ein Photon absorbiert wird, nicht erkennen, ob der andere Filter ebenfalls in y-Richtung eingestellt ist und das dortige Photon ebenfalls absorbiert, oder in z-Richtung eingestellt ist und das Photon durchlässt. Der andere Beobachter kann ihm daher nicht durch die Einstellung seines Filters eine Information zukommen lassen.

Geht dann das Photon durch den Filter, dann registriert der Beobachter auf dem Mond eine 1, geht es nicht durch den Filter, dann registriert er eine 0.

dadurch erhält er aber keine Information vom Beobachter auf der Erde.

BTW, da das Photon laut folgendem WP Artikel 3 Arten von Polarisation kennt,

es gibt nur zwei linear unabhängige. Entweder linear in y- und z-Richtung (bei Ausbreitung in x-Richtung), oder zirkular links- oder rechtsherum. Links- und rechtsherum sind Linearkombinationen von y- und z-Richtung, so dass die Paare y-Richtung/z-Richtung und linksherum/rechtsherum voneinander abhängig sind.

[Cordess]

Und nein, es würde nicht reichen, den einen Filter so einzustellen, dass er nur in z.B. y-Richtung polarisiertes Licht durchlässt und in z-Richtung polarisiertes Licht sperrt. Denn wenn der andere Beobachter seinen Filter ebenfalls so einstellt, dass er nur in y-Richtung polarisiertes Licht durchlässt, kann er, wenn bei ihm z.B. ein Photon absorbiert wird, nicht erkennen, ob der andere Filter ebenfalls in y-Richtung eingestellt ist und das dortige Photon ebenfalls absorbiert, oder in z-Richtung eingestellt ist und das Photon durchlässt. Der andere Beobachter kann ihm daher nicht durch die Einstellung seines Filters eine Information zukommen lassen.

dadurch erhält er aber keine Information vom Beobachter auf der Erde.

Ich glaube ich stehe auf dem Schlauch, daher muß ich erstmal fragen ob ich folgendes richtig verstanden habe:

Ist es richtig, daß ein Photon genau dann eine Polarisation zugewiesen bekommt oder der noch undefinierte Wert definiert wird, wenn das Photon
gemessen wird?

In der WP:Quantenverschränkung steht z.B:

Bei Photonen bezieht sich die Verschränkung meist auf die Polarisation der Photonen. Misst man die Polarisation des einen Photons, ist dadurch die Polarisation des anderen Photons festgelegt (z. B. um 90° gedreht).

Wenn ja, also wenn dies richtig ist, dann kann Beobachter B mit seinem Meßanordnung bestimmen ob das Photon jetzt eine 1 (die 1 definieren wir als y-Richtung, spart Schreibarbeit) oder eine 0 (= Z-Richtung) wird.

Da die beiden Strecken A und B gleich lang sind, wissen wir,
daß das verschränkte Photon auf beiden Seiten zur selben Zeit
oder zumindest in einem gleichen Zeitbereich ankommt.

Wenn also Beobachter B genau das letzte Photon vor seinem Schirm nimmt und den Wert = 1 zuweißt, bevor es auf den Schirm trifft,
dann wissen wir, daß auch genau das Photon, daß im selben Zeitraum auf den Schirm bei Ort A trifft, genau das gleiche verschränkte Photon mit Wert 1 ist.

Also muß doch Beobachter A nur zusehen, daß Photonen mit Wert 1 und Photonen mit Wert 0 am Ende getrennt registriert werden und in zeitlicher Reihe die Werte aufgezeichnet werden, das wäre sein Datenstrom.
Und damit es eine Reihe geben kann, werden fortwährend einzelne Photonen in einem bestimmten Takt von der Ursprungsquelle losgeschickt.
Dieser Takt ist dabei sowohl Beobachter A, als auch B bekannt, da er vorher ausgehandelt wurde und gleich bleibt.
Und in jedem Taktschritt wird nur ein Photon losgeschickt.


Sagen wir mal, es werden alle 10 ns ein Photon aus der Ursprungsquelle losgeschickt, welche dann nach einer bestimmten Zeit, nämlich diejenige, die das verschränkte Photon mit Lichtgeschwindigkeit für die Strecke Erde-Mond benötigt, am Mond und am Erdsatelliten eintreffen, also ca. 1,2 s.
Aber kurz vor dem Eintreffen wird von B die Polarisation durch Messung seines eintreffenden verschränkten Photons festgelegt.
Z.b. weißt er einer Reihe von 8 Photonen in 8 Taktschritten die Binärfolge 1100101 und 1 zu.
Die ersten 7 seien hierbei der ASCII-Code bestehend aus 7 Binärzahlen
und entsprechen hierbei dem Buchstaben A.
Das letzte Bit, also die 1 wird zur Fehlerkorrektur verwendet.
Ist das letzte Bit eine 1, so ist die Anzahl der Einsen in der Bitfolge aus 7 Bit gerade, ist sie eine 0, so ist die Anzahl der Einsen ungerade.

Wenn wir nun den Zeitraum als t=0 definieren, ab dem die Zuweisung
der Reihe von Photonen mit den Daten der Binärfolge beginnt.
Dann würde zum Zeitpunkt von

t=0 s das 1. Photon als eine 1 von B festgelegt werden. In einer ungefähren Zeitspanne von 5 ns, also t=0 s bis t = 5*10^-9 s wird dieses 1. Photon dann von A registriert. Fliegt es z.b. durch den Filter, dann ist es eine 1, wenn nicht, dann ist es eine 0, falls die 0 nicht detektiert werden kann, dann wird für diesen Zeitraum einfach eine 0 angenommen, denn der Takt ist ja definiert.

10 ns später,
also t = 10*10^-9 s wird das 2. Photon definiert, es erhält obiger Binärfolge zufolge ebenfalls eine 1.
Und auch hier wird in einer Zeitspanne von 5 ns der Wert wieder bei A detektiert und der Wert gespeichert.

Bei t = 20*10^-9 s geht das gleiche Spiel mit dem 3. Photon weiter, diesmal bekommt dieses aber den Wert 0.

Und all diese Schritte werden für das 4.-8. Photon ebenso durchgeführt.
Bis die Zeit am Ende t = 70*10-9 s bzw. wegen dem Puffer von 5 ns t = 75*10-9 s

Am Ende sollte also Person A dank der Taktung eine
Bitfolge entsprechend 1100101 und 1 enthalten.
Entspricht das letzte Bit nicht der Definierung für Gerade bzw. Ungerade der ersten 7 Bit, so fand eine Fehler bei der Datenübertragung statt, was dann anderweitige Korrekturmaßnahmen entsprechend einleitet, z.b. wird das Paket nochmal angefordert, aber das soll hier nicht das Thema sein.



Wo bzw. weshalb soll nun hier eine Informationsübertragung nicht möglich sein?

es gibt nur zwei linear unabhängige. Entweder linear in y- und z-Richtung (bei Ausbreitung in x-Richtung), oder zirkular links- oder rechtsherum. Links- und rechtsherum sind Linearkombinationen von y- und z-Richtung, so dass die Paare y-Richtung/z-Richtung und linksherum/rechtsherum voneinander abhängig sind.

Ach so, verstehe.




EDIT:

Ich glaube jetzt habe ich es verstanden.
Die Polarisation kann nur gemessen, aber nicht festgelegt werden.
Ist dies richtig?
Wenn ja, dann funktioniert obige Datenübertragung natürlich nicht.
Ja, nichtmal dann, wenn man direkt an der Quelle alle Photonen mit anderer Polarisation als 0 aussortiert und man nur einen Datenstrom aus Nullen erhalten würde.
Denn der enthielte ja keine Information.
Und die Information an der Quelle einspeisen geht auch nicht, da dann die Information nur mit Lichtgeschwindigkeit ankommt.

So macht es natürlich Sinn, das mit der Unmöglichkeit der Informationsübertragung.

[Agent Scullie]

Ich glaube ich stehe auf dem Schlauch, daher muß ich erstmal fragen ob ich folgendes richtig verstanden habe:

Ist es richtig, daß ein Photon genau dann eine Polarisation zugewiesen bekommt oder der noch undefinierte Wert definiert wird, wenn das Photon
gemessen wird?

so kann man es ausdrücken.

Wenn ja, also wenn dies richtig ist, dann kann Beobachter B mit seinem Meßanordnung bestimmen ob das Photon jetzt eine 1 (die 1 definieren wir als y-Richtung, spart Schreibarbeit) oder eine 0 (= Z-Richtung) wird.

nicht ganz. Er kann zwar seinen Polarisationsfilter in y-Richtung einstellen, jedoch ist es dann immer noch zufällig, ob das bei ihm ankommende Photon durchgelassen wird und dadurch das andere eine 1 wird, oder ob sein Photon absorbiert und das andere eine 0 wird.
Ebenso ist es, wenn er seinen Filter in z-Richtung einstellt, zufällig, ob sein Photon durchgelassen und das andere dadurch eine 0 wird, oder ob es absorbiert und das andere eine 1 wird.

Wenn also der andere Beobachter an seinem Photon eine 1 misst, dann weiß er nicht, ob der erste Beobachter seinen Filter in y-Richtung eingestellt hat und dessen Photon durchgelassen wurde oder den Filter in z-Richtung eingestellt hat und das Photon absorbiert wurde.

EDIT:

Ich glaube jetzt habe ich es verstanden.
Die Polarisation kann nur gemessen, aber nicht festgelegt werden.
Ist dies richtig?

exakt.

[Cordess]

Gäbe es eigentlich eine Möglichkeit die Polarisation eines Photons am Ende kurz vor dem Schirm zu ändern, und zwar so, daß der Wert eindeutig ist?