Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon

Der EPR-Effekt (nach den Autoren des Artikels, in dem er das erste Mal thematisiert wurde - Einstein, Podolski, Rosen), zuweilen auch EPR-Paradoxon genannt, ist ein zunächst als Gedankenexperiment, später aber auch im Labor nachgewiesener Effekt in der Quantenmechanik, der gegen die Regeln des klassischen lokalen Realismus verstößt.

Beim EPR-Effekt werden zwei Teilchen in einem verschränkten Zustand betrachtet, die sehr weit voneinander entfernt sind. Das am häufigsten benutzte Beispiel sind zwei Teilchen mit Spin (Eigendrehimpuls), deren Gesamtspin (Summe der Spins der einzelnen Teilchen) 0 ist.

Nun wird an den beiden Teilchen unabhängig voneinander eine Messung durchgeführt (z.B. die Spinkomponente in z-Richtung). Nach den Regeln der Quantenmechanik ist das Ergebnis der Messung vor Ausführung derselben aufgrund des verschränkten Zustands nicht festgelegt, d.h. es ist völlig zufällig, welchen Messwert man aus der Messung erhält. Andererseits erkennt man jedoch beim Vergleich beider Messergebnisse eine Korrelation: Im Beispiel mit den Spins würden die Teilchen stets entgegengesetzten Spin haben, so als ob die Messung des einen Spins auch den anderen Spin festgelegt hätte. Und das auch dann, wenn die beiden Messungen so weit voneinander entfernt und so kurz nacheinander folgen, dass eine Informationsübertragung von der einen Messung zur anderen mit überlichtschnell erfolgen müsste (und daher nach der Relativitätstheorie ausgeschlossen sein sollte).

Einstein schloss aus diesem Experiment, dass die Teilchen vor der Trennung die nötige Information ausgetauscht hatten. Da dieser Austausch von der Quantenmechanik nicht beschrieben wird, hielt er die Quantenmechanik für unvollständig. Es gebe verborgene Variablen, welche das Messresultat bereits bei der Trennung der Teilchen festlegen. Wenn es keine verborgenen Variablen gäbe, müssten die Teilchen durch spukhafte Fernwirkungen miteinander in Verbindung stehen, was Einstein für unsinnig hielt.

John Bell konnte mit der bellschen Ungleichungen zeigen, dass Einsteins Erklärung experimentell überprüfbar ist. Nach der Quantenmechanik ist nämlich die Korrelation zwischen den Teilchen im Durchschnitt grösser, als dies bei der besten Theorie ohne spukhafte Fernwirkungen denkbar ist. Die Experimente (u.a. durch Alain Aspect) verletzen aber die Ungleichungen. D.h., sie zeigen eine Korrelation, die grösser ist, als dies klassisch denkbar wäre. Damit wurden die Vorhersagen der Quantenmechanik aufs Genaueste bestätigt. Nach dieser Entdeckung ist auch fraglich, inwiefern man einem Teilchen Eigenschaften zuschreiben kann, wenn es diese Eigenschaften erst beim Experiment erhält. Die Frage, was real ist, erscheint dadurch in einem völlig neuen Licht.

Es ist jedoch nicht möglich, mit Hilfe des EPR-Effekts Überlichtgeschwindigkeit zu kommunizieren: Die einzelne Messung ergibt - unabhängig avon, ob das andere Teilchen bereits gemessen wurde - stets ein für sich genommen unvorhersagbares Ergebnis. Erst, wenn einem das Ergebnis der anderen Messung - durch klassische, unterlichtschnelle Kommunikation - bekannt ist, kann man die Korrelation feststellen oder ausnutzen.

Siehe auch: GHZ-Zustand, Quantenteleportation