Die Quantenwelt ist voller Geheimnisse, und unter ihnen fasziniert die Quantenverschränkung mit ihren verblüffenden Eigenschaften. Forscher haben nun gezeigt, dass dieses Phänomen universellen Regeln folgt, unabhängig von der Dimension der untersuchten Raumzeit, dank eines neuen theoretischen Ansatzes.
Die Quantenverschränkung ist diese seltsame Verbindung, die zwei Teilchen vereint, selbst wenn sie durch eine enorme Distanz getrennt sind. Als ob sie verbunden blieben, bleiben ihre Verhaltensweisen korreliert: Die Veränderung des Zustands des einen beeinflusst sofort den anderen. Im Gegensatz zur klassischen Physik, wo Objekte unabhängig sind, sind Quantenzustände eng miteinander verflochten. Diese Eigenschaft steht heute im Zentrum von Technologien wie dem Quantencomputer oder der Quantenkryptographie.
Darstellung der Quantenverschränkung von einer zu zwei Dimensionen.
Bildnachweis: Yuya Kusuki Um die Stärke dieser Verschränkung zu messen, verwenden Wissenschaftler die "Rényi-Entropie". Dabei handelt es sich um ein mathematisches Werkzeug, das es ermöglicht, die Komplexität der Quantenzustände und die Verteilung von Information zu bewerten. Dieses Maß ist nicht nur wertvoll für das Verständnis von Vielteilchen-Quantensystemen, sondern auch für fortgeschrittene Theorien wie die Quantengravitation. Es wird sogar verwendet, um Rätsel wie den Informationsverlust in Schwarzen Löchern anzugehen.
Das Team unter der Leitung von Yuya Kusuki (Universität Kyushu) wandte eine Methode namens "effektive thermische Theorie" an, die ursprünglich in der Teilchenphysik entwickelt wurde. Dieser Ansatz besteht darin, komplexe Systeme zu vereinfachen, indem man sich auf einige grundlegende Parameter konzentriert, wie die Casimir-Energie. Dadurch konnten die Forscher zeigen, dass die Rényi-Entropie universellen Gesetzen folgt, unabhängig von den Dimensionen. Dies erleichtert das Studium von Verschränkungsstrukturen erheblich.
Diese Ergebnisse könnten konkrete Auswirkungen haben: effizientere numerische Simulationen für mehrdimensionale Quantensysteme, ein besseres Verständnis von Quantengravitationstheorien und mögliche Fortschritte in verschränkungsbasierten Technologien.
Effektive thermische Theorie
Die effektive thermische Theorie ist eine Methode zur Vereinfachung der Untersuchung von Phänomenen. Die Idee ist, dass ein scheinbar schwer zu beschreibendes System oft durch einige wesentliche physikalische Größen wie Temperatur oder Energie zusammengefasst werden kann.
Zuerst in der Teilchenphysik eingesetzt, hat diese Methode Fortschritte im Verständnis schwer handhabbarer Theorien ermöglicht. Heute auf Quanteninformation angewendet, erlaubt sie die Identifizierung allgemeiner Regeln in der Verschränkung, ohne jedes Detail modellieren zu müssen.
Diese Vereinfachung ermöglicht die Analyse messbarer Größen wie der Entropie, indem nur das Wesentliche hervorgehoben wird. Sie wird so zu einem mächtigen Werkzeug für die Erforschung der Quantenphysik.
Quelle: Physical Review Letters