Quantenteleportation ist nicht nur Science-Fiction; Es ist völlig real und geschieht heute in Labors. Aber die Teleportation von Quantenteilchen und Informationen ist weit davon entfernt, Menschen durch den Weltraum zu beamen. In mancher Hinsicht ist es sogar noch erstaunlicher.

John Preskill, ein theoretischer Physiker am California Institute of Technology, ist einer der führenden Theoretiker der Quanteninformatik und -information. In dieser Folge Co-Moderator Janna Levin interviewt ihn über Verschränkung, das Teleportieren von Teilen von Küste zu Küste und das revolutionäre Versprechen der Quantentechnologie.

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Abschrift

JANNA LEVIN: Was fällt mir ein, wenn ich das Wort Teleportation sage? Vielleicht liegt es am Transporter von Star Trek Beamen der Crew sofort auf einen Planeten oder die zeitreisende TARDIS von Doctor Who. In der Science-Fiction ist Teleportation ein praktisches Mittel, um Menschen ohne Zeitverlust von einem Ort zum anderen zu befördern.

Aber Quantenteleportation? Nun, das ist etwas völlig anderes – und völlig real.

Ich bin Janna Levin und das ist „The Joy of Why“, ein Podcast von Quanta Magazine, wo ich mich mit meinem Co-Moderator am Mikrofon abwechsele, Steve Strogatz, in dem einige der größten Fragen der heutigen Mathematik und Naturwissenschaften untersucht werden.

Quantenteleportation ist die Fähigkeit, von einem Ort zu verschwinden und an einem anderen aufzutauchen, ohne zwischendurch zu reisen. Auch wenn wir vielleicht nie mit den Filmen mithalten können, wird die Technologie wahrscheinlich die Kommunikation, die Computertechnik und unser Verständnis der Welt um uns herum revolutionieren.

Heute ist einer der führenden Experten für Quantenteleportation bei uns. John Preskill ist Professor für theoretische Physik am California Institute of Technology und Gründer und derzeitiger Leiter des Institute for Quantum Information and Matter. Seine Forschungen erforschten die Teilchenphysik, die Quantenfeldtheorie und Quantenaspekte des frühen Universums und der Schwarzen Löcher. Seine aktuelle Arbeit wendet diese Forschung auf hartnäckige Probleme in der Quanteninformatik und -information an. John, willkommen bei „The Joy of Why“.

JOHN PRESKILL: Freut mich, hier zu sein, Janna.

LEVIN: Froh, dich zu haben. Ich möchte auf die Details dieses unglaublich technischen Themas eingehen, aber können Sie uns mit einem der Kernkonzepte beginnen, nämlich dem Idee der Verstrickung, Quantenverschränkung?

VORFÄHIGKEITEN: Nun, Verschränkung ist das Wort, das wir für die charakteristischen Korrelationen zwischen Teilen eines Quantensystems verwenden.

Was verstehen wir zunächst unter einer Korrelation? Wir können über Korrelationen für gewöhnliche Bits sprechen. Nehmen wir an, Sie haben ein Bit, das entweder 0 oder 1 ist. Und ich habe ein Bit, das entweder 0 oder 1 ist. Wenn wir dann beide 0 oder beide 1 haben, ist das eine Korrelation zwischen unseren Bits.

Im Fall von Qubits können sie auf ähnliche Weise korreliert werden. Wenn wir das Qubit beobachten oder messen – das Quantenanalogon eines Bits — wir erwerben ein bisschen. Das Besondere am Quantenfall ist jedoch, dass es mehr als eine Möglichkeit gibt, ein Qubit zu betrachten.

Man kann es sich also wie eine Kiste vorstellen, in der sich etwas befindet. Darin steht entweder eine 0 oder eine 1. Und ich habe zwei Möglichkeiten, in die Box zu schauen. Es hat zwei Türen. Ich kann entweder Tür Nr. 1 oder Tür Nr. 2 öffnen. Und in jede Richtung sehe ich ein bisschen.

Und wir könnten eine Korrelation für beide Richtungen haben. Wenn wir beide Tür Nr. 1 öffnen, sehen wir eine gewisse Korrelation zwischen dem Bit, das Sie erwerben, und dem Bit, das ich erwerbe. Und wenn wir beide Tür Nr. 2 öffnen, sehen wir einen Zusammenhang, der im Allgemeinen unterschiedlich sein könnte.

Und weil wir über diese vielfältigen komplementären Sichtweisen auf ein Qubit verfügen, weisen sie Korrelationen auf, die interessanter und komplexer sind als die Korrelationen zwischen gewöhnlichen Bits.

Aber das Geheimnis ist folgendes: Man kann ein Qubit nicht beobachten, ohne es zu stören. Dies ist ein sehr wichtiger Unterschied zwischen gewöhnlicher Information und Quanteninformation.

LEVIN: Nehmen wir also an, ich störe mein Teilchen und zwinge es, einen bestimmten Zustand anzunehmen. Wir können das einen Messvorgang nennen, oder vielleicht mache ich es auch aus Versehen. Und ich finde heraus, dass es eine 0 ist. Und es war auf diese Weise mit Ihrem Teilchen korreliert. Bedeutet das wirklich – wie die Leute sagen – schneller als die Lichtgeschwindigkeit, dass Ihr Teilchen einen bestimmten Zustand annimmt, um die Korrelation zu respektieren?

VORFÄHIGKEITEN: Nein, leider nicht. Oh, ich wünschte, es wäre so. Wenn ich mir mein Qubit ansehe, ist es egal, ob du deins angeschaut hast oder nicht. Ich werde nur ein zufälliges Stück sehen. Erst wenn wir beide hinschauen und miteinander reden, können wir erkennen, dass es einen Zusammenhang gab.

Aber wenn wir nicht reden, wird jeder von uns reinen Zufall beobachten, aber mit der gleichen Wahrscheinlichkeit, 0 oder 1 zu sein, und es gibt keine Möglichkeit, irgendwelche Informationen zu übermitteln.

LEVIN: Wenn wir nun miteinander diskutieren, muss dieser Teil der Kommunikation natürlich langsamer als die Lichtgeschwindigkeit erfolgen.

VORFÄHIGKEITEN: Nun, man kann der Lichtgeschwindigkeit ziemlich nahe kommen, aber nicht schneller. Das ist also ein großes Problem, dass wir wirklich nicht in der Lage sind, Informationen von mir schneller an Sie zu senden, als das Licht benötigt, um von mir zu Ihnen zu gelangen, selbst wenn wir verwickelt sind. Die Verstrickung ändert nichts an dieser Geschichte.

LEVIN: Toll. Hier haben wir die Verschränkung besprochen, die auf Gedankenexperimente zurückgeht [Albert Einstein Ich habe versucht, mit und manchmal auch gegen die Quantenmechanik zu ringen. Warum bezeichnete Einstein dies nun als „gespenstisch Fernwirkung„? Oder manchmal lautet die Übersetzung „gespenstische Aktion aus der Ferne“.

VORFÄHIGKEITEN: Nun, Einstein war der festen Überzeugung, dass es in den Grundgesetzen der Physik keinen Zufall geben sollte. Er meinte, wenn wir alles wissen, was wir über ein physikalisches System wissen können – was uns die Gesetze der Physik ermöglichen, zu wissen –, dann sollten wir in der Lage sein, perfekt vorherzusagen, was wir sehen werden, wenn wir dieses System beobachten.

Und die Verschränkung gehorcht diesem Prinzip nicht. Es gibt wirklich echten Zufall auf der Welt. Selbst wenn wir alles über das verschränkte Qubit-Paar wissen, das Sie und ich teilen, können Sie dennoch nicht vorhersagen, was Sie sehen, wenn Sie dieses Qubit betrachten. Es ist nur ein Zufall. Und das liegt nicht daran, dass Sie es nicht wissen. Es ist so, dass man es nicht wissen kann.

LEVIN: Wie wird dies zu einem wichtigen Hebel in der Quantenteleportation? Das an sich ist keine Quantenteleportation. Wie wird es also ausgenutzt?

VORFÄHIGKEITEN: Es ist eine subtile Frage. Lassen Sie uns nun darüber sprechen, was Quantenteleportation ist.

LEVIN: Bitte, ja.

VORFÄHIGKEITEN: Du bist also jetzt in New York, oder?

LEVIN: Ich bin in New York, ja.

VORFÄHIGKEITEN: Alles klar, Janna, ich bin derzeit in Kalifornien, und du bist in New York, und ich habe hier in Kalifornien zufällig ein Qubit. Es ist genau hier in meiner Hand. Es ist in einem kleinen Atom kodiert. Aber ein Quanten-FedEx macht manchmal Fehler, also haben sie mir dieses Qubit geschickt, aber es war für Sie bestimmt. OK? Also muss ich irgendwie herausfinden, wie ich mein Qubit zu dir bringen kann. Und wenn wir eine Leitung hätten, mit der wir das Atom von Kalifornien nach New York schicken könnten, wäre das eine Möglichkeit, das Qubit zu Ihnen zu bringen. Aber wir haben keine solche Verbindung, über die ich Atome senden könnte.

Aber Sie wollen nicht das Atom, sondern die Informationen, die im Atom enthalten sind. Nun, es ist so, dass Sie und ich gestern klugerweise die Weitsicht hatten, ein Paar verschränkter Qubits zu erschaffen, in der Erwartung, dass wir sie vielleicht irgendwann nutzen könnten.

Und hier ist, was ich tun kann. Ich kann dieses Qubit nehmen, das ich heute erhalten habe. Ich weiß nicht, welche Informationen darin enthalten sind. Es handelt sich um ein Qubit, das mir geliefert wurde. Und ich kann es zusammen mit meiner Hälfte des verschränkten Qubit-Paares beobachten, das Sie und ich teilen.

Und jetzt beobachte ich zwei Qubits, und zwar in einer – nennen wir es eine verschränkte Messung. Wenn wir die beiden gemeinsam betrachten, kann ich aus ihrer Beobachtung zwei Informationen gewinnen. Und dann – jetzt, über eine gewöhnliche Kommunikationsverbindung, wie wir sie jetzt verwenden – kann ich Ihnen diese beiden Informationsbits senden. Und dann können Sie diese beiden Informationen verwenden, um in New York eine Operation an Ihrem Qubit durchzuführen.

Und jetzt hat dieses Qubit in New York die gleichen Quanteninformationen wie dieses mysteriöse Qubit, das ich heute erhalten habe. Ich weiß nicht, in welchem ​​Zustand sich dieses Qubit befindet, und tatsächlich zerstöre ich es in meinem Labor, wenn ich es beobachte. Aber wir können es in New York sozusagen „reinkarnieren“. Und Sie benötigen nur diese beiden Informationen, um dieses Qubit perfekt zu rekonstruieren. Das ist Quantenteleportation.

LEVIN: In gewisser Weise gab es also einen Quantenstaat in Kalifornien, den ich in New York reproduzieren konnte, ohne ihn per FedEx quer durch das Land schicken zu müssen. Sie wollten, dass ich es tun kann, ohne irgendetwas dazwischen physisch zu bewegen. Sie haben also diese clevere Möglichkeit gefunden, wie ich den Zustand in meinem eigenen Labor mit nur diesen einfachen Anweisungen rekonstruieren kann.

Und in diesem Sinne teleportierte es sich. Auf Ihrer Seite ist es verschwunden, weil Sie den Staat zerstört haben und den Prozess des Findens der Informationen, die Sie mir übermitteln mussten, auf sich genommen haben. Aber es tauchte in meinem Labor wieder auf, nachdem Sie mir die Informationen übermittelt hatten. Habe ich bei dieser Paraphrasierung etwas Entscheidendes übersehen?

VORFÄHIGKEITEN: Nun, ich denke, dass es in dem, was Sie gesagt haben, einiges zu betonen gibt. Erstens stimme ich Ihrer Aussage nicht ganz zu, dass ich Ihnen nichts Physisches geschickt habe. In der Tat, ich habe. Ich habe Ihnen zwei Informationen geschickt.

LEVIN: Oh, Sie haben mir Informationen über das Internet geschickt.

VORFÄHIGKEITEN: Ich kann das nicht tun, ohne etwas Physisches zu schicken.

LEVIN: Vereinbart.

VORFÄHIGKEITEN: Möglicherweise waren es Photonen, die durch eine Glasfaser von Kalifornien nach New York gelangten. Und diese Kommunikation zwischen uns war tatsächlich notwendig, damit dies funktionierte.

Aber es ist nicht genug. Es ist eine lustige Sache mit Qubits. Wenn ich einen Zustand eines Qubits präparieren möchte, benötige ich viele Informationen. Man kann sich ein Qubit geometrisch als einen kleinen Pfeil vorstellen, der in einen dreidimensionalen Raum zeigt. Sie wissen schon, wie die Erdoberfläche. Und wenn ich Ihnen sagen möchte, wie ich das Qubit vorbereitet habe, wähle ich einen Punkt auf diesem Globus aus, also muss ich Ihnen den Breiten- und Längengrad mit sehr hoher Präzision angeben, um Ihnen genau zu sagen, wie dieses Qubit vorbereitet wurde.

In gewisser Weise gehen also viele Informationen ein, aber es kommt nur sehr wenig heraus, denn wenn man sie beobachtet, erhält man nur ein bisschen. Dieses eine Bit wird Ihnen also nicht sagen, wie Sie das Qubit sozusagen auf einem bestimmten Breiten- und Längengrad auf dem Globus platzieren können. Deshalb ist die Teleportation bemerkenswert, denn ich habe Ihnen nur diese beiden Teile geschickt, und das hat ausgereicht, damit Sie es perfekt rekonstruieren können.

Es sind die beiden Teile zusammen mit der Verflechtung, die wir geteilt haben und die wir gestern mit der Weitsicht vorbereiten konnten.

LEVIN: Richtig, das ist ein großer Unterschied. Das ist jetzt erstaunlich. Sie senden mir Informationen physisch, entweder über das Internet oder durch Lichtsignale, oder wie auch immer Sie sie mir senden. Aber irgendwie bekomme ich mehr Informationen aufgrund der komplizierten Situation, auf die wir uns geeinigt haben.

Es ist also nicht so, als hättest du deinen IKEA-Schreibtisch gehabt, und ich brauchte ein paar Informationen, wie man meinen baut, und du hast deinen in Stücke gerissen, um herauszufinden, wie er zusammengebaut wurde. Du müsstest mir immer noch jede noch so kleine Information mitteilen. Der Quantenprozess unterscheidet sich also grundlegend vom klassischen Prozess. Was ist der Vorteil davon? Warum ist es so spannend? Was ist die große Sache?

VORFÄHIGKEITEN: Zunächst einmal, Janna, du und ich sind theoretische Physiker, also braucht es nicht viel, um uns zu begeistern.

LEVIN: [Lachen] Absolut.

VORFÄHIGKEITEN: Aber wofür ist es nützlich? Das ist eine gute Frage. Nehmen wir also an, wir wollen die Verschränkung auf der ganzen Welt verteilen. Es klingt ziemlich cool, oder? Wir gingen davon aus, dass Sie und ich die Verstrickung zwischen Kalifornien und New York teilen könnten, und wir sprachen nicht darüber, wie wir das geschafft haben.

Tatsächlich wissen wir derzeit nicht, wie wir das mit der derzeit vorhandenen Technologie bewerkstelligen können. Es gibt keinen Grund, warum wir das grundsätzlich nicht können, aber aus praktischen Gründen können wir mit der Technologie, über die wir derzeit verfügen, kein Qubit von Kalifornien nach New York schicken und es unbeschädigt ankommen lassen.

Der beste Weg, Qubits zu senden, besteht darin, Photonen durch Glasfasern zu senden, und Glasfasern weisen Verluste auf. Wenn Sie also versuchen, ein Qubit hundert Kilometer weit zu schicken, besteht nur eine Chance von etwa einer von 50, dass es es schafft, ohne zu verschwinden. Und wenn ich versuchen würde, es tausend Kilometer weit zu schicken, was immer noch nicht ausreicht, um nach New York zu gelangen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es es schafft, nahezu null.

Wie können wir also die Verstrickung teilen? Nun, wir glauben, dass wir es mithilfe der Teleportation schaffen werden. Es klingt ein wenig kreisförmig, oder? Weil wir für die Teleportation eine Verschränkung benötigen. Aber hier ist die Idee: Ich kann ein Qubit, sagen wir, 10 Kilometer weit schicken, wissen Sie, oder 50 Kilometer, mit einer ziemlich hohen Erfolgswahrscheinlichkeit.

LEVIN: Das ist immer noch ziemlich gut.

VORFÄHIGKEITEN: Ja, das ist nicht so schlimm. Nehmen wir nun an, ich möchte den ganzen Weg von Kalifornien nach New York zurücklegen, also füge ich auf dem Weg viele kleine Knotenpunkte ein, an denen wir die Quantenkommunikation gewissermaßen verbinden. Stellen wir uns also vor, wir versuchen von A nach C zu gelangen und teilen die Verschränkung zwischen A und B sowie zwischen B und C auf. Und dann haben wir eine Möglichkeit, bei B die beiden Hälften dieser Verschränkung zu messen Paare. Wir nennen es Verschränkungsaustausch.

Sie führen eine Messung der beiden Qubits bei B durch und sagen dann A und C: „Oh, hier ist das Messergebnis, das ich hatte.“ Jetzt können A und C die Verschränkung teilen. OK? Tatsächlich erweitern wir die Reichweite der Verschränkung. Es ist eine Variante der Teleportation.

Und ich habe Ihnen noch nicht die ganze Geschichte erzählt, denn wenn die Verschränkung von A nach B nicht so gut ist und die Verschränkung von B nach C nicht so gut ist, können wir viele Verschränkungspaare nehmen, die ziemlich verrauscht sind und unvollkommen, und es gibt eine Möglichkeit, sie auf weniger verschlungene Paare zu reduzieren, die eine viel höhere Qualität haben. Und indem wir das wiederholt tun, können wir eine Verbindung zwischen Kalifornien und New York herstellen und sie dann für alles nutzen, was wir wollen. Wir könnten es verwenden, um den gemeinsamen Schlüssel zu entwickeln, von dem wir wissen, dass er privat ist, oder wir könnten ihn verwenden, um Quanteninformationen zu senden.

Hier ist eine alltäglichere Möglichkeit, die Teleportation über kürzere Entfernungen zu nutzen. Wenn wir zwei Chips in einem Quantencomputer haben und Quanteninformationen von einem zum anderen senden möchten, können wir dies tun, indem wir eine Verschränkung zwischen den beiden Chips herstellen und dann Teleportation verwenden, um Informationen von einem zum anderen zu senden . Und das wird wahrscheinlich von entscheidender Bedeutung für die Ausweitung des Quantencomputings auf große Systeme sein, die wirklich schwierige Probleme lösen können.

LEVIN: Wir sind gleich wieder da.

[Pause für Anzeigeneinfügung]

LEVIN: Willkommen zurück bei „The Joy of Why“.

Sie sprechen also wirklich von Technologien. Mir ist bekannt, dass Sie kürzlich den ersten Spatenstich für ein neues Zentrum am Caltech gemacht haben. Ich glaube, es wird „Zentrum für Quantenpräzisionsmessung“ heißen.

VORFÄHIGKEITEN: Das stimmt, ja. Sie haben recherchiert.

LEVIN: Ja. Und ist das zum Teil auf die Weiterentwicklung der Technologien ausgerichtet? Wie Sie sagten, sind Sie ein theoretischer Physiker. Das ist, was einige Leute gesagt haben, der „überraschende Nutzen nutzloser Ideen“. Aber sind Sie darauf ausgerichtet, mit einem solchen Zentrum Technologien voranzutreiben, oder wollen Sie unser grundlegendes Verständnis der Quantenmechanik wirklich revolutionieren, oder beides?

VORFÄHIGKEITEN: Wir können diese Dinge nicht wirklich trennen. Wissenschaft und Technologie schreiten gemeinsam voran. Je ausgefeilter unsere Wissenschaft wird, desto besser entwickeln wir Technologien, und das ermöglicht neue Entdeckungen. Wenn die Wissenschaft Fortschritte macht, geschieht dies durch eine Kombination aus neuen Ideen und neuen Technologien.

Ich interessiere mich zum Beispiel für Quantencomputer und es gibt Gründe zu der Annahme, dass sie irgendwann große praktische Auswirkungen auf die Gesellschaft haben werden. Aber es ist auch ein wunderbares Instrument für wissenschaftliche Entdeckungen. Am Zentrum für Quantenpräzisionsmessung werden wir also Technologien entwickeln, aber mit Blick auf bessere Messstrategien, die Eigenschaften wie die Quantenverschränkung ausnutzen, die es uns ermöglichen, Dinge mit größerer Präzision und weniger invasivem Aufwand zu messen.

Jeder möchte Dinge besser messen, und Quantenstrategien können uns dabei helfen, Messungen durchzuführen, die sonst nicht möglich wären. Das ist wirklich das intellektuelle Thema dieses Zentrums.

LEVIN: Ja, und jeder möchte Informationen besser und schneller kontrollieren.

VORFÄHIGKEITEN: Nun, jeder versteht, dass Informationen wichtig sind und wofür Quanteninformationen verwendet werden und wo die großen praktischen Auswirkungen sein werden – dazu gibt es noch viele offene Fragen.

Aber wir können davon ausgehen, dass wir mit Quanteninformation, mit Quantencomputing und der Verwendung von Quantenverschränkung zur Messung Dinge tun können, die wir vorher nicht tun konnten. Und das wird irgendwann praktische Auswirkungen haben.

LEVIN: Erwarten Sie, dass sich diese praktischen Auswirkungen auf unser tägliches Leben auswirken werden?

VORFÄHIGKEITEN: Irgendwann erwarte ich das. Wir wissen nicht genau, wie sich diese Auswirkungen auswirken werden. Im Fall des Quantencomputings die beste Idee, die wir derzeit haben – und es ist eine alte Idee, die über 40 Jahre zurückreicht Richard Feynman – ist, dass wir Quantencomputer nutzen können, um das Verhalten von Quantensystemen besser zu verstehen.

Physiker wie wir verstehen, dass das interessant, aber auch wichtig ist, weil es die Entdeckung neuer Arten von Materialien mit nützlichen Eigenschaften, neuer Arten chemischer Verbindungen, vielleicht auch Pharmazeutika usw., ermöglichen kann. Und all das wirkt sich letztendlich auf den Alltag der Menschen aus. Und auch was die Quantenmessung angeht, denke ich, dass die Quantentechnologie irgendwann wirklich alles in der Wissenschaft beeinflussen wird.

Nehmen wir an, in der Biologie und Medizin möchten wir beobachten können, was im Inneren von Zellen vor sich geht, und zwar nicht-invasiv und mit höherer Empfindlichkeit. Und das wird letztendlich für Therapien wichtig sein, und es wird auch wichtig für ein tieferes Verständnis der biologischen Wissenschaft sein.

LEVIN: Es gibt auch einen Platz für die Quantenteleportation beim Verständnis der grundlegenden Natur der Schwerkraft, die meiner Meinung nach ein zentraler Bereich Ihrer Forschung war. Wie könnte Verschränkung bei so großen und schwerfälligen Dingen wie Schwarzen Löchern eine Rolle spielen?

VORFÄHIGKEITEN: Für mich ist dies eines der aufregendsten Dinge an der Quanteninformation. Es gibt uns neue Denkansätze für andere grundlegende Fragen, einschließlich der Physik der kondensierten Materie, wo wir versuchen, hochverschränkte Zustände der Quantenmaterie zu verstehen. und in der Gravitationsphysik.

Diese Geschichte reicht bis ins Jahr 1935 zurück, als zwei berühmte Artikel in der Zeitschrift erschienen Körperliche Überprüfung. Einer von ihnen, von Einstein und [Nathan] Rosenging es um die Beobachtung, dass wir in der Allgemeinen Relativitätstheorie Lösungen für Einsteins Gleichungen finden können, die die Raumzeit beschreiben, in der es gibt ein Wurmloch im Weltraum. Das war damals noch nicht so gut verstanden, aber eigentlich beschreibt die Lösung zwei Schwarze Löcher, die ein gemeinsames Inneres haben – eine Art Wurmloch, das das Innere dieser beiden Schwarzen Löcher verbindet.

Und das Papier von Einstein, [Boris] Podolsky und Rosen war über Quantenverschränkung und die besondere Art und Weise, wie es ermöglicht, dass Systeme auf eine Weise miteinander korreliert werden, die wir mit klassischen Informationen nicht beschreiben können.

Und was wir in den letzten 10 Jahren zu schätzen gelernt haben: Diese beiden Phänomene, Quantenverschränkung und Wurmlöcher im Weltraum, hängen eng miteinander zusammen. Tatsächlich können sie als zwei Arten angesehen werden, dasselbe zu beschreiben. Das kommt in der Physik häufig vor und ist sehr hilfreich. Wenn wir zwei unterschiedliche Möglichkeiten haben, dasselbe Phänomen zu beschreiben, die sehr unterschiedlich aussehen, aber genau die gleiche Physik beschreiben, kann uns das zu einem tieferen Verständnis verhelfen.

Und was wir jetzt zu schätzen wissen und was wir in der Version der Quantengravitation, die wir am besten verstehen, ziemlich deutlich sagen können, ist, dass zwei Schwarze Löcher, wenn sie sehr stark miteinander verschränkt sind, durch ein Wurmloch im Weltraum verbunden werden.

Alice könnte ihr Schwarzes Loch haben und Bob könnte seines haben, und wenn sie miteinander verstrickt sind, bedeutet das, dass Alice und Bob beide in ihre Schwarzen Löcher springen könnten. Und dann könnten sie sich treffen und vielleicht für eine Weile eine Beziehung führen, obwohl sie wie Romeo und Julia dazu verdammt wären, in die Singularität zu geraten und zerstört zu werden. Aber wir können es noch lustiger machen, und hier kommt die Teleportation ins Spiel.

Wir können ein Wurmloch im Weltraum unter genau den richtigen Bedingungen durchquerbar machen. Das ursprüngliche Wurmloch, das ursprünglich von Einstein und Rosen beschrieben wurde, ist ein Beispiel für ein nicht durchquerbares Wurmloch. Das heißt, man kann nicht an einem Ende hineinspringen und am anderen Ende wieder herauskommen. Was wir jedoch erkannt haben, ist, dass es in der Quantentheorie tatsächlich möglich ist, einen negativen Energieimpuls in ein Schwarzes Loch zu schicken. Wenn man normalerweise Materie in ein Schwarzes Loch schickt, verschiebt sich dessen Ereignishorizont ein wenig nach außen, und dieser negative Energieimpuls kann dazu führen, dass er sich ein wenig nach innen bewegt. Und das ist genau das, was wir brauchen, damit Alice ein bisschen oder ein Qubit in ihr Schwarzes Loch werfen kann und es am Ende von Bob wieder herauskommt.

Es gibt eine alternative Möglichkeit, dies zu beschreiben, nämlich dass es sich tatsächlich um eine Form der Quantenteleportation handelt.

Ich denke, das macht wirklich Spaß, denn es legt nahe, dass die Gravitationsintuition uns helfen kann, das Verhalten sehr komplexer Quantensysteme zu verstehen, die sonst sehr nicht intuitiv erscheinen würden.

LEVIN: Es ist eine absolut großartige und faszinierende Wendung, so tief in die Quantenwelt einzutauchen und zu versuchen, die großräumigen Phänomene zu verstehen, wie die bloße Existenz von Schwarzen Löchern oder ihr Überleben.

Und ich werde eine Frage über die Verdunstung von Schwarzen Löchern einwerfen und darüber, wie Quantenteleportation relevant sein könnte, um zu verstehen, wie ihre Informationen letztendlich nicht verloren gehen, wenn Alice in ihr Schwarzes Loch springt, und dass Quantenteleportation möglicherweise verloren geht Eine Möglichkeit für uns, herauszufinden, was mit Alice passiert ist, nachdem sie in das Schwarze Loch gesprungen ist.

VORFÄHIGKEITEN: Nun, als ich mich mit Janna Levin traf, wusste ich, dass wir irgendwann über Schwarze Löcher reden würden.

LEVIN: [Lachen] Ich kann jedes Gespräch in ein Gespräch über Schwarze Löcher verwandeln.

VORFÄHIGKEITEN: Keine Überraschung dort.

Tatsächlich denke ich, dass das, was ich gerade beschrieben habe, uns einen Einblick in den Prozess gibt, durch den Informationen aus Schwarzen Löchern entweichen, und wir glauben, dass dies der Fall ist. Die Gesetze der Physik erlauben es nicht, dass Informationen zerstört werden, selbst wenn sie in Schwarze Löcher fallen und die Schwarzen Löcher verdampfen. Es gerade wird durcheinander gebracht in eine Form bringen, die außerordentlich schwer zu lesen ist. Es liegt eine Verletzung der Lokalität vor. Dies ist eines der grundlegendsten Prinzipien der Physik. Wir haben bereits darauf hingewiesen, dass Informationen nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können.

Aber um aus einem Schwarzen Loch herauszukommen, bewegen sich Informationen per Definition schneller als Licht. Licht bleibt im Inneren gefangen, Informationen dringen nach außen. Und das deutet darauf hin, dass die Vorstellung von Kausalität – wie wir normalerweise darüber denken, dass es eine Geschwindigkeitsbegrenzung für die Geschwindigkeit gibt, mit der sich Informationen verbreiten können – nicht unbedingt unter allen Umständen wahr ist. Dieser Grundsatz kann verletzt werden.

Und Raumzeit selbst ist möglicherweise kein grundlegender Begriff. Es ist vielmehr ein emergente Eigenschaft eines komplexen Quantensystems in dem die Dinge höchst verwickelt sind.

Wie kommt es also, dass wir unter normalen Umständen denken, dass dieser Kausalitätsbegriff so rigoros erfüllt zu sein scheint? Nun, ich denke, wir haben darauf eine Antwort, und es ist ziemlich interessant, dass sie mit Quantencomputing zusammenhängt.

Wir denken, dass es so ist möglich, die Kausalität zu verletzen, um Informationen schneller als Licht zu senden. Dafür ist jedoch eine Quantenberechnung erforderlich, wie man sie auf einem Quantencomputer durchführen könnte, die so komplex und leistungsstark ist, dass wir sie in der Praxis nie durchführen können.

Wir sollten also in der Lage sein, die Lücke zwischen mir in Kalifornien und dir, Janna, in New York aufzureißen. Im Prinzip können wir das. In der Praxis ist es so außerordentlich schwierig, es würde eine so umfangreiche Berechnung erfordern, dass es niemandem jemals gelingen wird.

LEVIN: Bemerkenswert. Nun, John, Sie haben einen Großteil Ihres Lebens damit verbracht, einige der schwer fassbaren und herausforderndsten Konzepte der Quantentheorie zu verstehen. Was macht Ihnen Freude am Studium der theoretischen Physik und der Quantenteleportation?

VORFÄHIGKEITEN: Nun ja, ich bin ziemlich leicht zu unterhalten, daher bereiten mir viele Dinge Freude. Aber sowohl Fragen als auch Antworten können einem Freude bereiten. Ideen, von denen Sie, wie Sie wissen, noch nie zuvor gehört haben und von denen Sie erkennen, dass sie tiefgründig und faszinierend sind, können Freude bereiten. Als ich zum ersten Mal erkannte, dass wir theoretisch – und ich denke, irgendwann auch in der Praxis – Quantencomputer bauen können, die so leistungsfähig sind, dass sie in der Lage sein werden, Probleme zu lösen, die wir in der klassischen Welt niemals lösen könnten Es war einer der glücklichsten Momente, auf eine so tiefe und interessante Idee zu stoßen. Und als ich darüber nachdachte, änderte ich schließlich die Richtung meiner eigenen Forschung.

LEVIN: Es ist so schönes Zeug. Wir haben mit dem theoretischen Physiker John Preskill vom Caltech über die unglaubliche Natur und die möglichen Anwendungen der Quantenteleportation gesprochen. John, vielen Dank, dass du heute bei uns bist.

VORFÄHIGKEITEN: Ich hatte eine tolle Zeit, Janna. Danke schön.

LEVIN: Ich auch. Es macht immer Spaß zu reden. Bis bald.

[Themenspiele]

LEVIN: „The Joy of Why“ ist ein Podcast von Quanta Magazine, eine redaktionell unabhängige Publikation, die von der unterstützt wird Simons Foundation. Förderentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf die Auswahl der Themen, Gäste oder sonstige redaktionelle Entscheidungen in diesem Podcast oder in Quanta Magazine.

„The Joy of Why“ wird produziert von PRX-Produktionen. Das Produktionsteam besteht aus Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler und Merritt Jacob. Der ausführende Produzent von PRX Productions ist Jocelyn Gonzales. Morgan Church und Edwin Ochoa leisteten zusätzliche Hilfe. Aus Quanta MagazineJohn Rennie und Thomas Lin leisteten redaktionelle Leitung, mit Unterstützung von Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana und Madison Goldberg.

Unsere Titelmusik stammt von APM Music. Julian Lin hat sich den Podcast-Namen ausgedacht. Die Episodenkunst stammt von Peter Greenwood und unser Logo stammt von Jaki King und Kristina Armitage. Besonderer Dank geht an die Columbia Journalism School und Bert Odom-Reed von den Cornell Broadcast Studios.

Ich bin Ihre Gastgeberin, Janna Levin. Wenn Sie Fragen oder Kommentare an uns haben, senden Sie uns bitte eine E-Mail an [E-Mail geschützt] . Danke fürs Zuhören.