DE102012000044A1 - Method for interaction-free entanglement of quantum system in quantum computer, involves locating quantum system by activating magnetic field, and transferring quantum system to entangled condition under observation of boundary condition - Google Patents

Method for interaction-free entanglement of quantum system in quantum computer, involves locating quantum system by activating magnetic field, and transferring quantum system to entangled condition under observation of boundary condition Download PDF

Info

Publication number
DE102012000044A1
DE102012000044A1 DE102012000044A DE102012000044A DE102012000044A1 DE 102012000044 A1 DE102012000044 A1 DE 102012000044A1 DE 102012000044 A DE102012000044 A DE 102012000044A DE 102012000044 A DE102012000044 A DE 102012000044A DE 102012000044 A1 DE102012000044 A1 DE 102012000044A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
state
quantum
energy
systems
ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102012000044A
Other languages
German (de)
Inventor
Anmelder Gleich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE102012000044A priority Critical patent/DE102012000044A1/en
Publication of DE102012000044A1 publication Critical patent/DE102012000044A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1284Spin resolved measurements; Influencing spins during measurements, e.g. in spintronics devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena

Abstract

The method involves preparing a quantum system as an elementary quantum system in a condition with real phases. The quantum system is located by activating homogeneous magnetic field comprising domains. The quantum system is transferred to an entangled condition under observation of boundary condition, where the quantum system is realized by 13 carbon-atoms in diamond. The quantum system is addressed and/or read by nitrogen-vacancy center, and the magnetic field is produced by low-inductive coils in the form of a Helmholtz arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wechselwirkungsfreien Verschränkung von Quantensystemen in Quantencomputern.The invention relates to a method for the interaction-free entanglement of quantum systems in quantum computers.

Zur Verschränkung von Quantensystemen in Quantencomputern ist bekannt, dass die zu verschränkenden Quantensysteme mittels physikalischer Wechselwirkungen, wie etwa der Coulomb-Abstoßung, in den gewünschten verschränkten Zustand präpariert werden können. Beispielsweise können bei dem in [17] beschriebenen Verfahren in einer linearen Ionenfalle eingeschlossene Ionen, aufgrund der zwischen den Ionen auftretenden Coulomb-Abstoßung, definiert in einen verschränkten Zustand präpariert werden.For entanglement of quantum systems in quantum computers it is known that the quantum systems to be entangled can be prepared in the desired entangled state by means of physical interactions, such as Coulomb repulsion. For example, in the method described in [17], ions trapped in a linear ion trap can be prepared in an entangled state due to the Coulomb repulsion occurring between the ions.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Art der Zustandspräparation kann darin gesehen werden, dass die beteiligten Quantensysteme hierzu miteinander in Wechselwirkung treten müssen. Da man aber beispielsweise in einer linearen Ionenfalle nicht beliebig viele Ionen unterbringen kann, sind zum Aufbau eines Quantencomputers mehrere Ionenfallen erforderlich. Dieses bedeutet dann aber, dass auch zwischen diesen entsprechende Präparationsschritte möglich sein müssen. Wünschenswert wäre daher ein Verfahren, dass eine wechselwirkungsfreie Verschränkung von Quantensystemen ermöglicht. Ein entsprechendes Verfahren zur wechselwirkungsfreien Verschränkung von Quantensystemen, die sich in unterschiedlichen Ionenfallen befinden, wird in [53] beschrieben. Das Verfahren sieht die folgenden Schritte vor: Um die zuvor geeignet präparierten Quantensysteme in einen verschränkten Zustand überführen zu können, werden diese mittels ultrakurzer Laserpulse optisch angeregt. Die angeregten Quantensysteme emittieren dann spontan je ein Photon. Diese werden dann an einem Strahlteiler überlagert und danach detektiert. Berücksichtigt werden nur π-polarisierte Photonen. Wird an beiden Ausgängen des Strahlteilers gleichzeitig je ein Photon nachgewiesen, so kann daraus geschlossen werden, dass die beiden Quantensysteme erfolgreich verschränkt wurden. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens kann jedoch darin gesehen werden, dass bei diesem Verfahren ein klassischer Informationskanal benötigt wird. Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens kann darin gesehen werden, dass die Wahrscheinlichkeit für eine erfolgreiche Verschränkung bei < 3 × 10–8 liegt und der erforderliche apparative Aufwand ganz erheblich ist. Auch dürfte es sehr aufwendig sein, die Wahrscheinlichkeit so zu erhöhen, dass diese für praktische Anwendungen akzeptabel ist.A major disadvantage of this type of state preparation can be seen in the fact that the involved quantum systems must interact with each other for this purpose. Since, however, it is not possible to accommodate any number of ions in a linear ion trap, for example, a plurality of ion traps are required to construct a quantum computer. This means, however, that also between these appropriate preparation steps must be possible. It would therefore be desirable to have a method that allows interaction-free entanglement of quantum systems. A corresponding method for the interaction-free entanglement of quantum systems in different ion traps is described in [53]. The method provides the following steps: In order to convert the previously suitably prepared quantum systems into an entangled state, they are optically excited by means of ultrashort laser pulses. The excited quantum systems then spontaneously emit one photon each. These are then superimposed on a beam splitter and then detected. Only π-polarized photons are considered. If a photon is detected at both outputs of the beam splitter at the same time, it can be concluded that the two quantum systems were successfully crossed. The main disadvantage of this method, however, can be seen in the fact that a classical information channel is needed in this method. Another significant disadvantage of this method can be seen in the fact that the probability of a successful entanglement is <3 × 10 -8 and the required apparatus is quite considerable. Also, it would be very expensive to increase the probability that it is acceptable for practical applications.

Ausgehend hiervon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verschränkung von Quantensystemen in Quantencomputern zu entwickeln, welches weder eine Wechselwirkung noch einen klassischen Informationskanal erfordert. Erst hierdurch wird eine einfache und kostengünstige Verschränkung von Quantensystemen auch dann ermöglicht, wenn diese weit voneineinder entfernt sind. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nicht nur verschränkte Quantensysteme Eigenschaften besitzen, die nur noch als Eigenschaft des Gesamtsystems, nicht jedoch als Summe der Eigenschaften der Teilsysteme aufgefasst werden können, sondern auch bestimmte Produktzustände Eigenschaften besitzen, die nur noch als Eigenschaft des Gesamtsystems, nicht jedoch als Summe der Eigenschaften der Teilsysteme aufgefasst werden können. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird dann ein Verfahren zur wechselwirkungsfreien Verschränkung von Quantensystemen entwickelt.Proceeding from this, the object of the invention is to develop a method for entangling quantum systems in quantum computers, which requires neither an interaction nor a classical information channel. Only then can a simple and cost-effective entanglement of quantum systems be made possible, even if they are far from one another. The invention is based on the finding that not only entangled quantum systems possess properties which can only be understood as a property of the overall system, but not as the sum of the properties of the subsystems, but also possess certain product states properties which are only a characteristic of the overall system, but can not be construed as the sum of the properties of the subsystems. Based on this knowledge, a method for the interaction-free entanglement of quantum systems is then developed.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Verfahrensansprüchen 1 bis 7 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.To solve this problem, the feature combinations specified in the method claims 1 to 7 are proposed. Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.

Die Erfindung kann zwar formal im Rahmen der Quantenphysik beschrieben werden, allerdings ist es zum Verständnis der Erfindung erforderlich auch den verwendeten Formalismus adäquat interpretieren zu können. Da für die Quantenphysik bis heute noch keine wirklich befriedigende Interpretation angegeben werden kann, befasst sich ein Teil der Erfindung mit der Entwicklung einer Interpretation für die Quantenphysik. Ausgangspunkt für den hier vorgeschlagenen Interpretationsansatz ist der in [49] bereits vorgestellte Interpretationsansatz. Diesen möchte ich hier noch einmal wiedergeben und in den für die Erfindung wesentlichen Punkten erweitern und vertiefen. Für die Quantenphysik als Ganzes, kann die hier vorgeschlagene Interpretation allerdings nur als Ansatz verstanden werden.Although the invention can be formally described in the context of quantum physics, it is necessary for an understanding of the invention to be able to interpret the formalism used adequately. Since no truly satisfactory interpretation can be given for quantum physics until today, part of the invention deals with the development of an interpretation for quantum physics. The starting point for the interpretation approach proposed here is the interpretation approach already presented in [49]. I would like to repeat this here and expand and deepen it in the points essential to the invention. For quantum physics as a whole, however, the interpretation proposed here can only be understood as an approach.

Die Beschreibung der Erfindung ist daher in die folgenden Abschnitte gegliedert:

  • I. Einleitung: Ich möchte hier kurz die grundsätzlichen Überlegungen zusammenfassen und die diesen zugrundeliegenden Vorstellungen erläutern.
  • II. Ein erster Interpretationsansatz: Um zu einer befriedigenden Interpretation für die Quantenphysik gelangen zu können, ist es erforderlich, ein Verständnis für die zentralen Begriffe zu entwickeln. Hierzu werde ich aufzeigen, dass die betrachteten Quantensysteme, um im Rahmen des in der Quantenphysik postulierten Superpositionsprinzips überhaupt von prinzipiell ununterscheidbaren Möglichkeiten sprechen zu können, eine unverwechselbare Eigenschaft besitzen müssen. Diese unverwechselbare Eigenschaft ist für die hier betrachteten Quantensysteme immer über die Energie gegeben, die den Quantensystemen zugeordnet werden kann. Die, einem Quantensystem zugeordnete Energie ermöglicht es dann, diesem eine energetische Repräsentation zuzuordnen. Es lässt sich dann zeigen, dass Informationen über den Zustand eines Quantensystems nur über die für das betrachtete Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen zugänglich sind.
  • III. Eine energetische Betrachtung einfacher Modellsysteme: Den im II. Abschnitt eingeführten Interpretationsansatz möchte ich hier vertiefen und weiter ausführen. Die betrachteten Quantensysteme werden durch 40Ca+-Ionen gebildet, die sich in einer linearen Ionenfalle befinden. Ich möchte auch kurz auf das Messproblem eingehen und aufzeigen, dass dieses als unmittelbare Folge des Superpositionsprinzips aufgefasst werden kann. Für die hier betrachteten Modellsysteme kann man dann den tieferen Grund dafür, dass einzelne Messwerte prinzipiell nicht vorhergesagt werden können, wenn mehrere Messwerte möglich sind, auch darin sehen, dass die in den einzelnen Ionen gespeicherte Energie quantisiert ist. Weiter werde ich aufzeigen, dass die über die Rechenbasis zugängliche Information über ein Quantensystem, mit der Information übereinstimmt, die über die, für dieses Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen, zugänglich ist. Ich werde auch aufzeigen, dass man über den Zustand einem Quantensystem innere Eigenschaften zuordnen kann. Können den inneren Eigenschaften die entsprechenden energetischen Repräsentationen zugeordnet werden, so können diese als physikalisch realisiert angesehen werden. Einem Quantensystem können aber auch inhärente Eigenschaften zugeordnet werden. Diese inneren Eigenschaften zeichnen sich dadurch aus, dass diesen nicht die entsprechenden energetischen Repräsentationen zugeordnet werden können. Allerdings ist es möglich, formal äquivalente Quantensysteme einzuführen, über die die inhärenten Eigenschaften eines Quantensystems dann zugänglich werden. Ein bemerkenswertes Ergebnis dieser Überlegungen ist, dass die inneren Eigenschaften bestimmter Produktzustände nur noch als physikalisch realisierte Eigenschaft des Gesamtsystems aufgefasst werden können. Basierend auf diesen Überlegungen werde ich dann einen Vorschlag für eine die Quantenphysik auszeichnende Idee vorstellen.
  • IV. Elementare Quantensysteme: Nach den im III. Abschnitt angestellten Überlegungen könnte es auch Quantensysteme geben, denen man keine energetische Repräsentation mehr zuordnen kann. Das es solche Systeme gibt, werde ich anhand von Spin ½ Systemen aufzeigen und die für die weitere Diskussion wesentlichen Eigenschaften erläutern. Eine wesentliche Eigenschaft der hier betrachteten elementaren Quantensysteme besteht darin, dass diese jederzeit mittels eines geeignet gewählten Präparationsschrittes in ein energetisch reprasentiertes Quantensystem überführt werden können. Auch ist immer der umgekehrte Präparationsschritt möglich. Hierzu müssen einzelne Spin ½ Systeme allerdings offensichtlich mit der Umgebung physikalisch in Wechselwirkung treten.
  • V. Kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen: Überlegungen zum Casimir-Effekt, legen jedoch die Vermutung nahe, dass bestimmte Quantensysteme, die aus mindestens zwei Spin ½ Systemen zusammengesetzt sind, auch ohne eine physikalische Wechselwirkung mit der Umgebung und ohne eine physikalische Wechselwirkung untereinander, in die entsprechenden energetisch repräsentierten Quantensysteme überführt werden könnten. Der hier postulierte Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation könnte diesen Präparationsschritt ermöglichen. Der Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation würde dann zu einem simultanen Umklappen der Spinzustände der beteiligten Spin ½ Systeme führen.
  • VI. Ein Gedankenexperiment zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung: Das hier vorgeschlagene Gedankenexperiment bietet die Möglichkeit, den im V. Abschnitt postulierten Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation überprüfen zu können. Wenn die postulierten kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen auftreten können, so besteht die einzig mögliche Interpretation dieses Experimentes darin, dass die physikalische Welt nicht kausal abgeschlossen sein kann.
  • VII: Einbindung des Spin-Statistik-Therorems in den Interpretationsansatz. Ich möchte hier der Frage nachgehen, welche Konsequenzen sich für den in dieser Arbeit entwickelten Interpretationsansatz aus dem in der Quantenphysik gültigen Spin-Statistik-Theorem ergeben. Eine sich hieraus ergebende Konsequenz ist, dass bestimmte Produktzustände mit physikalisch realisierten inneren Eigenschaften eine wechselwirkungsfrei Verschränkung von Quantensystemen ermöglichen sollten. Zur Überprüfung dieser Schlussfolgerung werde ich ein einfaches Gedankenexperiment vorschlagen.
  • VIII. Philosophische Konsequenzen: Ich möchte hier noch kurz auf einige philosophische Konsequenzen eingehen, die weit über die, für unser physikalisches Weltbild relevanten Fragen hinausgehen. Auch möchte ich auf mögliche Zusammenhänge hinweisen, die zwischen den bisher vorgetragenen Überlegungen und den Möglichkeiten des menschlichen Bewusstseins bestehen könnten.
  • I. Einleitung: Ich möchte hier kurz die grundsätzlichen Überlegungen zusammenfassen und die diesen zugrundeliegenden Vorstellungen erläutern.
The description of the invention is therefore subdivided into the following sections:
  • I. Introduction: I would like to briefly summarize the fundamental considerations and explain the underlying ideas.
  • II. A First Interpretation Approach: In order to arrive at a satisfactory interpretation for quantum physics, it is necessary to develop an understanding of the central concepts. For this I will show that the considered quantum systems, in the context of the postulated in quantum physics Superposition principle to be able to speak of fundamentally indistinguishable possibilities, must have a distinctive property. For the quantum systems under consideration, this unique property is always given by the energy that can be assigned to the quantum systems. The energy associated with a quantum system then makes it possible to assign an energy representation to it. It can then be shown that information about the state of a quantum system is only accessible via the energy representations possible for the quantum system under consideration.
  • III. An energetic consideration of simple model systems: I would like to deepen and further elaborate the interpretation approach introduced in Section II. The considered quantum systems are formed by 40 Ca + ions, which are located in a linear ion trap. I would also like to deal briefly with the measurement problem and show that this can be understood as a direct consequence of the superposition principle. For the model systems considered here, one can then see the deeper reason that individual measured values can not be predicted in principle, if several measured values are possible, also in the fact that the energy stored in the individual ions is quantized. Furthermore, I will show that the information accessible via the computational base about a quantum system agrees with the information accessible via the energetic representations possible for this quantum system. I will also show that one can attribute internal properties to a quantum system via the state. If the corresponding energy representations can be assigned to the inner properties, then these can be regarded as physically realized. However, inherent properties can also be assigned to a quantum system. These inner qualities are characterized by the fact that they can not be assigned the corresponding energetic representations. However, it is possible to introduce formally equivalent quantum systems, which then make the inherent properties of a quantum system accessible. A remarkable result of these considerations is that the intrinsic properties of certain product states can only be understood as a physically realized property of the whole system. Based on these considerations, I will then present a proposal for quantifying the idea of quantum physics.
  • IV. Elementary Quantum Systems: According to the III. There might also be quantum systems to which no energetic representation can be assigned. The existence of such systems will be demonstrated using spin ½ systems and will explain the essential features for further discussion. An essential feature of the elementary quantum systems considered here is that they can be converted at any time by means of a suitably selected preparation step into an energetically represented quantum system. Also, the reverse preparation step is always possible. However, individual spin ½ systems obviously have to physically interact with the environment.
  • V. Coherently Coupled Vacuum Fluctuations: Considerations on the Casimir effect suggest, however, that certain quantum systems composed of at least two spin ½ systems, even without a physical interaction with the environment and without a physical interaction with each other, into the corresponding energetically represented quantum systems could be transferred. The process of coherently coupled vacuum fluctuation postulated here could make this preparation step possible. The process of coherently coupled vacuum fluctuation would then lead to a simultaneous collapse of the spin states of the participating spin ½ systems.
  • VI. A thought experiment on the interaction-free transfer of information: The thought experiment proposed here offers the opportunity to be able to check the process of coherently coupled vacuum fluctuation postulated in the fifth section. If the postulated coherent coupled vacuum fluctuations can occur, the only possible interpretation of this experiment is that the physical world can not be causally closed.
  • VII: Integration of the Spin Statistics Theremem into the Interpretation Approach. I would like to investigate the question which consequences arise for the interpretation approach developed in this work from the spin-statistics theorem valid in quantum physics. A consequence of this is that certain product states with physically realized internal properties should allow an interaction-free entanglement of quantum systems. To test this conclusion, I will propose a simple thought experiment.
  • VIII. Philosophical Consequences: I would like to briefly discuss here some philosophical consequences that go far beyond the questions relevant to our physical world view. I would also like to point out possible connections that could exist between the considerations presented so far and the possibilities of human consciousness.
  • I. Introduction: I would like to briefly summarize the fundamental considerations and explain the underlying ideas.

Im Kern geht es in dieser Arbeit um die Frage, ob man zwei physikalisch unabhängige, räumlich getrennte Quantensysteme, zwischen denen es keine Wechselwirkung gibt, auch dann in einen verschränkten Zustand überführen kann, wenn kein klassischer Informationskanal zur Verfügung steht. At the heart of this work is the question of whether two physically independent, spatially separated quantum systems, between which there is no interaction, can be converted into an entangled state even if no classical information channel is available.

Bei allen bisher in der physikalischen Literatur betrachteten Beispielen ist immer entweder eine Wechselwirkung oder ein klassischer Informationskanal zwingend erforderlich, um zwei räumlich getrennte, unabhängige Quantensysteme in einen verschränkten Zustand überführen zu können.In all the examples so far considered in the physical literature, either an interaction or a classical information channel is always required in order to be able to convert two spatially separated, independent quantum systems into an entangled state.

Beispielsweise müssen bei den in [17] beschriebenen Experimenten, die in der linearen Ionenfalle gespeicherten 40Ca+-Ionen, über die Coulomb-Abstoßung in Wechselwirkung treten können, um diese ausgehend von einem Produktzustand in einen verschränkten Zustand überführen zu können. Allerdings können auf diese Weise nicht beliebig viele Ionen miteinander verschränkt werden, da der für den Präparationsprozess erforderliche Freiheitsgrad „der gemeinsamen Schwingung aller Ionen entlang der Längsachse der Ionenfalle” mit zunehmender Ionenzahl nicht mehr ausreichend selektiv angeregt oder abgeregt werden kann.For example, in the experiments described in [17], the 40 Ca + ions stored in the linear ion trap must be able to interact via Coulomb repulsion in order to convert them into an entangled state starting from a product state. However, it is not possible in this way to entangle any desired number of ions, since the degree of freedom "of the common vibration of all ions along the longitudinal axis of the ion trap" required for the preparation process can no longer be sufficiently selectively excited or excited with increasing ion number.

Um einen Quantencomputer realisieren zu können, wäre es daher wünschenswert, ein Präparationsverfahren an der Hand zu haben, das es ermöglicht, zwei unabhängige Ionen auch dann in einen verschränkten Zustand überführen zu können, wenn diese sich in unterschiedlichen, räumlich getrennten Ionenfallen befinden.In order to be able to realize a quantum computer, it would therefore be desirable to have a preparation method at hand, which makes it possible to convert two independent ions into an entangled state even if they are located in different, spatially separated ion traps.

Die in [53] beschriebenen Experimente sind ein erster Schritt in diese Richtung. Hierzu wird in zwei räumlich getrennten Ionenfallen jeweils ein Yb+-Ion eingefangen. Diese werden in einem ersten Schritt in einen geeigneten Produktzustand präpariert. Um die so präparierten Ionen in den gewünschten verschränkten Zustand überführen zu können, werden beide Ionen mittels geeigneter, ultrakurzer Laserpulse gleichzeitig optisch angeregt. Die angeregten Ionen emittieren dann spontan je ein Photon. Diese werden dann an einem Strahlteiler überlagert und danach detektiert. Berücksichtigt werden nur π-polarisierte Photonen. Wird an den beiden Ausgängen des Strahlteilers gleichzeitig je ein Photon nachgewiesen, so kann daraus geschlossen werden, dass die beiden Ionen erfolgreich in den gewünschten Quantenzustand verschränkt wurden. Die Wahrscheinlichkeit für eine erfolgreiche Verschränkung liegt bei diesen Experimenten jedoch nur bei < 3 × 10–8.The experiments described in [53] are a first step in this direction. For this purpose, in each case a Yb + ion is captured in two spatially separated ion traps. These are prepared in a first step in a suitable product state. In order to be able to convert the ions thus prepared into the desired entangled state, both ions are simultaneously optically excited by means of suitable ultrashort laser pulses. The excited ions then spontaneously emit one photon each. These are then superimposed on a beam splitter and then detected. Only π-polarized photons are considered. If a photon is detected at the two outputs of the beam splitter at the same time, it can be concluded that the two ions were successfully entangled into the desired quantum state. However, the probability of successful entanglement in these experiments is only <3 × 10 -8 .

Zwar handelt es sich bei den in [53] beschriebenen Experimenten um eine wechselwirkungsfreie Verschränkung der beiden Quantensysteme, allerdings ist auch bei diesen Experimenten ein klassischer Informationskanal erforderlich, um die beiden Quantensysteme erfolgreich in den gewünschten verschränkten Zustand überführen zu können.Although the experiments described in [53] involve an interaction-free entanglement of the two quantum systems, a classical information channel is also required in these experiments in order to successfully transform the two quantum systems into the desired entangled state.

Um den Grundgedanken, des in dieser Arbeit vorgeschlagenen Verfahrens zur wechselwirkungsfreien Verschränkung von räumlich getrennten Quantensystemen bei dem kein klassischer Informationskanal erforderlich ist, nachvollziehen zu können, ist es hilfreich sich den Formalismus der Quantenphysik genauer ansehen.In order to understand the basic idea of the method proposed in this work for the interaction-free entanglement of spatially separated quantum systems in which no classical information channel is required, it is helpful to take a closer look at the formalism of quantum physics.

Im Unterschied zu klassischen Theorien, wie etwa der klassischen Mechanik aber auch der speziellen Relativitätstheorie, bei denen der jeweilige Formalismus als eine unmittelbare Beschreibung von physikalischen Ereignissen im physikalischen Raum aufgefasst werden kann, ist es im Rahmen der Quantenphysik bisher nicht gelungen, eine plausible Vorstellung anzugeben, wie die im Formalismus der Quantenphysik auftretenden Größen physikalischen Ereignissen zugeordnet werden können. Im Rahmen der Quantenphysik werden die einem Quantensystem zugeordneten Eigenschaften durch den, über den jeweiligen Präparationsprozess festgelegten, Zustand beschrieben. Für die zeitliche Entwicklung (die Zustandsdynamik) wird im Rahmen der Quantenphysik, für ein abgeschlossenes Quantensystem, gefordert, dass diese mittels unitärer Operatoren beschreibbar sein muss. Mittels dieser unitären Zustandsdynamik ist es jedoch nicht möglich, einen Messvorgang zu beschreiben. Was einen Messvorgang auszeichnet und wie dieser korrekt formal zu beschreiben ist, ist streng genommen bis heute ein ungelöstes Problem. Im Rahmen der Standardinterpretation das bekannte Messproblem. Auch die Dekohärenztheorie bei der die Umgebung, insbesondere das Messgerät, mit in die quantenphysikalische Beschreibung eingebunden wird, kann diese Frage nicht beantworten.In contrast to classical theories, such as classical mechanics but also the special theory of relativity, in which the respective formalism can be understood as a direct description of physical events in the physical space, has been in the quantum physics so far failed to give a plausible idea how the quantities occurring in the formalism of quantum physics can be assigned to physical events. In the context of quantum physics, the properties assigned to a quantum system are described by the state determined via the respective preparation process. For the development of time (state dynamics), quantum physics, for a closed quantum system, requires that it must be describable by means of unitary operators. By means of this unitary state dynamics, however, it is not possible to describe a measurement process. What characterizes a measurement process and how it can be correctly formally described is, strictly speaking, still an unsolved problem. Within the framework of the standard interpretation the known measurement problem. Also, the decoherence theory in which the environment, in particular the measuring device, is included in the quantum physical description can not answer this question.

Klar ist jedoch zumindest, dass der einem Quantensystem zugeordnete Zustand nicht als eine unmittelbare Beschreibung von Ereignissen im physikalischen Raum aufgefasst werden kann. Doch wie kann dann der, im Rahmen der Standardinterpretation, über das Projektionspostulat postulierte Kollaps des Zustands bei einer Messung physikalisch interpretiert werden und welche physikalischen Prozesse laufen bei diesem Vorgang ab?However, it is at least clear that the state assigned to a quantum system can not be understood as an immediate description of events in physical space. But then how can the collapse of the state postulated in the framework of the standard interpretation via the projection postulate be physically interpreted during a measurement and which physical processes occur in this process?

Eine denkbar einfache und in sich konsistente Beschreibung dieser Vorgänge ermöglicht der in Abschnitt II und III vorgestellte Interpretationsansatz. Im Kern geht dieser von folgender Vorstellung aus:
In der Natur existieren Eigenschaften, die über physikalische Wechselwirkungen prinzipiell nicht zugänglich sind. Man könnte diese Eigenschaften als innere Eigenschaften von Quantensystemen bezeichnen. Die einem Quantensystem physikalisch zuschreibbaren inneren Eigenschaften werden durch den Zustand, den man dem betrachteten Quantensystem im Rahmen der Quantenphysik zuordnet, festgelegt. Das mathematische Objekt „Zustand” ermöglicht jedoch nicht nur eine Beschreibung der inneren Eigenschaften eines Quantensystems und deren unitäre Zustandsdynamik, sondern legt auch fest, wie die inneren Eigenschaften eines Quantensystems mit den energetischen Eigenschaften des Quantensystems korreliert sind. Zwischen den inneren Eigenschaften eines Quantensystems und dessen energetischen Eigenschaften besteht eine wechselseitige, aber keine eineindeutige Beziehung. Einerseits legen die einem Quantensystem physikalisch zuschreibbaren inneren Eigenschaften die für das Quantensystem möglichen energetischen Eigenschaften (und damit die an dem Quantensystem möglichen Messwerte) eindeutig fest. Andererseits legen die möglichen oder tatsächlich realisierten energetischen Eigenschaften des Quantensystems die physikalisch dem Quantensystem zuschreibbaren inneren Eigenschaften aber weder eindeutig noch vollständig fest. Es scheint gerade so, als ob allein das Wissen, welches man über einen Präparationsprozess, aber auch über einen Messprozess, über ein Quantensystem erlangt, eine Kopplung zwischen den inneren Eigenschaften des Quantensystems und den, diesen entsprechenden energetischen Eigenschaften des Quantensystems erzwingt. Ein Präparationsprozess unterscheidet sich von einem Messprozess dadurch, dass bei einem Präparationsprozess eine der möglichen energetischen Eigenschaften des Quantensystems tatsächlich realisiert werden kann, während bei einem Messprozess lediglich Wissen darüber entsteht, welche energetischen Eigenschaften einem Quantensystem zugeordnet werden können, wobei die tatsächlich realisierte energetische Eigenschaft des Quantensystems bei der Messung aber nicht verändert wird (dieses gilt natürlich nur wenn das Quantensystem bei der Messung nicht vernichtet wird).
A very simple and consistent description of these processes allows the interpretation approach presented in Sections II and III. In essence, this starts from the following idea:
In nature, there are properties that are in principle not accessible via physical interactions. One could call these properties internal properties of quantum systems. The intrinsic properties physically attributable to a quantum system are determined by the state that is assigned to the quantum system under consideration in quantum physics. However, the mathematical object "state" not only provides a description of the intrinsic properties of a quantum system and its unitary state dynamics, but also determines how the intrinsic properties of a quantum system are correlated with the energetic properties of the quantum system. There is a reciprocal, but not a one-to-one relationship between the intrinsic properties of a quantum system and its energetic properties. On the one hand, the inner properties that can be physically attributed to a quantum system clearly define the energetic properties that are possible for the quantum system (and thus the possible measurements on the quantum system). On the other hand, the possible or actually realized energetic properties of the quantum system neither clearly nor completely determine the intrinsic properties physically attributable to the quantum system. It just seems as though the knowledge gained through a preparation process, but also via a measurement process, via a quantum system forces a coupling between the intrinsic properties of the quantum system and the corresponding energetic properties of the quantum system. A preparation process differs from a measurement process in that during a preparation process one of the possible energetic properties of the quantum system can actually be realized, while in a measurement process only knowledge arises about which energetic properties can be assigned to a quantum system, whereby the actually realized energetic property of the quantum system However, the quantum system is not changed during the measurement (this of course only applies if the quantum system is not destroyed during the measurement).

Am einfachsten lässt sich diese Vorstellung anhand eines Beispiels verdeutlichen. Werden in der in [17] beschriebenen linearen Ionenfalle zwei 40Ca+-Ionen in den Singulett-Zustand Ψ = 1/21/2(|1>2|0)>1 – |0>2|1>1) präpariert, so ist dieser bis auf eine globale nicht beobachtbare Phase eindeutig festgelegt. Bei einer Messung an einem der beiden Ionen sind zwei Messergebnisse möglich. „Ion fluoresziert”, dann liegt das Ion nach der Messung im Grundzustand |1> vor und „Ion fluoresziert nicht”, dann liegt das Ion nach der Messung im angeregten Zustand |0> vor (siehe hierzu ). Damit ein Ion aber, nachdem das Messergebnis „Ion fluoresziert nicht” vorliegt, im angeregten Zustand vorliegen kann, muss das Ion zu irgendeinem Zeitpunkt die Energie hf01 (h bezeichnet das Planksche Wirkungsquantum und f01 die den Übergang von |1> nach |0> resonant anregende Übergangsfrequenz) aufgenommen haben. Wenn man also das Ion ausgehend vom Grundzustand (diesem wird die Energie Null zugeordnet) durch einen Präparationsschritt in einen beliebigen Zustand präpariert und danach als Messergebnis „Ion fluoresziert nicht” erhält, so muss das Ion während des Präparationsschrittes irgendwann die Energie hf01 aufgenommen haben, da ja nur der Manipulationslaser während des Präparationsschrittes Lichtquanten mit der Energie hfd1 bereitstellen kann. Den beiden Ionen im Singulett-Zustand lassen sich somit aber auch die folgenden energetischen Eigenschaften zuordnen: 1.) „In 50% der Fälle besitzt das Ion 1 die Energie hf01 und das Ion 2 die Energie Null” und 2.) „In 50% der Fälle besitzt das Ion 2 die Energie hf01 und das Ion 1 die Energie Null”. Wobei prinzipiell nicht entscheidbar ist, welcher Fall konkret vorliegt. Da die in den einzelnen Ionen „gespeicherte Energie” schon vor der Messung eindeutig das Messergebnis festlegt, kann man dann davon sprechen, dass die in den Ionen gespeicherte Energie den Zustand „energetisch repräsentiert”. Die für den Singulett-Zustand möglichen energetischen Repräsentationen sind dann: 1.) „Das Ion 1 hat die Energie hf01 gespeichert und das Ion 2 hat keine Energie gespeichert” und 2.) „Das Ion 2 hat die Energie hf01 gespeichert und das Ion 1 hat keine Energie gespeichert”. Eine Messung kann somit lediglich unser Wissen über die einem Quantensystem zugeschriebenen energetischen Eigenschaften ändern. Die tatsächlich realisierten energetischen Eigenschaften (die tatsächlich realisierte energetische Repräsentation) des Quantensystems wird durch eine Messung jedoch nicht verändert.The easiest way to illustrate this idea is by means of an example. In the linear ion trap described in [17], two 40 Ca + ions enter the singlet state Ψ - = 1/2 1/2 (| 1> 2 | 0)> 1 - | 0> 2 | 1> 1 ) prepared, this is clearly defined except for a global unobservable phase. When measuring on one of the two ions, two measurement results are possible. "Ion fluoresces", then the ion is present in the ground state | 1> after the measurement and "ion does not fluoresce", then the ion is present in the excited state | 0> after the measurement (see ). However, for an ion to be in the excited state after the measurement result "ion does not fluoresce", the ion must have the energy hf 01 (h denotes the Plank effect quantum and f 01 the transition from | 1> to | 0 > resonant stimulating transition frequency). Therefore, if one prepares the ion from the ground state (which is assigned the energy zero) by a preparation step into an arbitrary state and then obtains the measurement result "ion does not fluoresce", the ion must have absorbed the energy hf 01 at some point during the preparation step. since only the manipulation laser during the preparation step can provide light quanta with the energy hf d1 . However, the following energetic properties can be assigned to the two ions in the singlet state: 1.) "In 50% of the cases, the ion 1 has the energy hf 01 and the ion 2 the energy zero" and 2.) "In 50 % of cases ion 2 has energy hf 01 and ion 1 energy zero ". In principle, it is not possible to decide which case actually exists. Since the energy stored in the individual ions clearly determines the measurement result even before the measurement, it can then be said that the energy stored in the ions represents the state "energetically". The energetic representations possible for the singlet state are then: 1.) "The ion 1 has stored the energy hf 01 and the ion 2 has no energy stored" and 2.) "The ion 2 has stored the energy hf 01 and that Ion 1 has no energy stored ". Thus, a measurement can only change our knowledge of the energetic properties attributed to a quantum system. However, the actually realized energetic properties (the actually realized energetic representation) of the quantum system are not changed by a measurement.

Erhält man beispielsweise als Messergebnis am Ion 1 „Ion fluoresziert nicht”, so weiß man, dass das Quantensystem die energetische Repräsentation „Das Ion 1 hat die Energie hf01 gespeichert und das Ion 2 hat keine Energie gespeichert” realisiert hat. Dieses Wissen hat dann zur Folge, dass die dem Singulett-Zustand zugeordneten inneren Eigenschaften nicht mehr an die energetischen Eigenschaften des Quantensystems koppeln können, da das durch die Messung erlangte Wissen über das Quantensystem eine Kopplung der, dem Zustand |1,0> zugeordneten, inneren Eigenschaften an die energetischen Eigenschaften des Quantensystems erzwingt. Dabei spielt es keine Rolle, ob dieses Wissen tatsächlich vorliegt. Wesentlich ist lediglich, dass es prinzipiell möglich ist, dass dieses Wissen zu irgendeinem Zeitpunkt den beiden Ionen zugeordnet werden könnte. Innere Eigenschaften können in diesem Sinne weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie können lediglich eine Wirkung auf das betrachtete Quantensystem haben oder eben auch nicht. Abhängig von dem Wissen welches über das Quantensystem vorliegt.If, for example, the result obtained on Ion 1 is "No fluorescence of ions", then one knows that the quantum system has realized the energetic representation "Ion 1 has stored the energy hf 01 and the ion 2 has not stored any energy". The result of this knowledge is that the intrinsic properties associated with the singlet state can no longer be coupled to the energetic properties of the quantum system, since the knowledge of the quantum system obtained by the measurement implies a coupling of the states associated with the state | forces internal properties on the energetic properties of the quantum system. It does not matter if this knowledge actually exists. It is only essential that it is possible in principle that this knowledge could at any time be assigned to the two ions. Inner qualities can neither be created nor destroyed in this sense. You can only have an effect on the considered quantum system or not. Depending on the knowledge about the quantum system.

Wenn diese Vorstellung zutreffend ist, so stellt sich die Frage, ob ein Quantensystem zwingend eine energetische Repräsentation realisieren muss? Dass dieses nicht so ist, wird in Abschnitt IV anhand von Spin 1/2 Systemen gezeigt. Präpariert man beispielsweise zwei 40Ca+-Ionen, in der in [17] beschriebenen linearen Ionenfalle in den Singulett-Zustand 1/21/2(|1>2|2>1 – |2>2|1>1), so ergibt sich folgende Situation: Beide Ionen liegen im elektronischen Grundzustand (42S1/2) vor. Da der Kernspin der verwendeten 40Ca+-Ionen gleich Null ist, beschreibt der Zustand 1/21/2(|1>2|2>1 – |2>2|1>1) ein aus zwei Spin ½ Systemen zusammengesetztes System mit Gesamtspin 0. Der elektronische Grundzustand wird durch den Zeemann-Effekt in den energetisch tiefer liegende Zustand |1> mit der magnetischen Quantenzahl m = –1/2 (diesem wird die Energie –ΔEz/2 zugeordnet) und den energetisch höher liegenden Zustand |2> mit der magnetischen Quantenzahl m = +1/2 (diesem wird die Energie +ΔEz/2 zugeordnet) aufgespalten. Dem Quantensystem können somit über die Wechselwirkungsenergie energetische Eigenschaften zugeordnet werden, die die physikalisch dem Quantensystem zuschreibbaren inneren Eigenschaften energetisch repräsentieren (mit ΔEz > 0 sei die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen |2> und |1> bei eingeschaltetem Magnetfeld bezeichnet). Schaltet man nun das in z-Richtung der Ionenfalle überlagerte Magnetfeld aus, so fallen die beiden Energieniveaus |1> und |2> zusammen. Solange das Magnetfeld ausgeschaltet ist, kann dem System, im Zustand 1/21/2(|1>2|2>1 – |22|1>1) keine energtische Repräsentation zugeordnet werden, da die beiden Energieniveaus |1> und |2> dann energetisch zusammenfallen und es somit nicht möglich ist, dass das Quantensystem die, den physikalisch dem Quantensystem zuschreibbaren Inneren Eigenschaften, entsprechenden energetischen Eigenschaften realisieren kann. Quantensysteme die keine energetischen Repräsentationen besitzen könnte man als „elementare Quantensysteme” bezeichnen. Mittels des Spin-Freiheitsgrades ist es somit möglich, elementare Quantensysteme zu präparieren. Schaltet man das Magnetfeld wieder ein, so wird hierdurch automatisch wieder eine für das Quantensystem mögliche energetische Repräsentation erzeugt (für ein Quantensystem im Singulett-Zustand hat der zeitliche Verlauf beim Ein- oder Ausschalten des Magnetfeldes keinen Einfluss auf den Zustand, solange das Magnetfeld homogen ist). Den Ein- und Ausschaltvorgang des der Ionenfalle überlagerbaren Magnetfeldes kann man aber auch als einen Präparationsschritt auffassen. Die Tatsache, dass der zeitliche Verlauf des Magnetfeldes beim Ein- und Ausschaltvorgang, für ein Quantensystem im Singulett-Zustand, keinen Einfluss auf das Ergebnis dieser Präparationsschritte hat, kann man nun aber auch so interpretieren, dass durch diese Präparationsschritte das Wissen über das Quantensystem prinzipiell nicht verändert werden kann. Die inneren Eigenschaften scheinen somit nicht aufgrund der am Quantensystem realisierten energetischen Repräsentation an das Quantensystem zu koppeln, sondern alleine aufgrund des Wissens, welches über das Quantensystem vorliegt, an das Quantensystem zu koppeln.If this idea is correct, then the question arises as to whether a quantum system must necessarily realize an energetic representation. That this is not the case is shown in Section IV using spin 1/2 systems. If, for example, two 40 Ca + ions are prepared in the singlet state 1/2 1/2 (| 1> 2 | 2> 1 - | 2> 2 | 1> 1 ) in the linear ion trap described in [17], this results in the following situation: Both ions are present in the electronic ground state (4 2 S 1/2 ). Since the nuclear spin of the 40 Ca + ions used equals zero, the state 1/2 1/2 (| 1> 2 | 2> 1 - | 2> 2 | 1> 1 ) describes a system composed of two spin ½ systems with total spin 0. The electronic ground state is transformed by the Zeemann effect into the energetically lower state | 1> with the magnetic quantum number m = -1/2 (this is assigned the energy -ΔE z / 2) and the higher energy state | 2> with the magnetic quantum number m = +1/2 (this is assigned to the energy + ΔE z / 2). The quantum system can thus be assigned energy properties via the interaction energy, which energetically represent the physical properties attributable to the quantum system (ΔE z > 0 denotes the energy difference between the two states | 2> and | 1> with the magnetic field switched on). If the magnetic field superimposed in the z-direction of the ion trap is switched off, the two energy levels | 1> and | 2> coincide. As long as the magnetic field is switched off, the system can not be assigned an energetic representation in the state 1/2 1/2 (| 1> 2 | 2> 1 - | 2 2 | 1> 1 ) since the two energy levels | 1> and | 2> then coincide energetically and thus it is not possible for the quantum system to realize the energetic properties corresponding to the physical properties physically attributable to the quantum system. Quantum systems that have no energetic representations could be called "elementary quantum systems". By means of the spin degree of freedom it is thus possible to prepare elementary quantum systems. If the magnetic field is switched on again, this automatically generates an energy representation that is possible for the quantum system (for a quantum system in the singlet state, the time course when the magnetic field is switched on or off has no influence on the state as long as the magnetic field is homogeneous ). However, the switching on and off operation of the ion trap superimposed magnetic field can also be considered as a preparation step. The fact that the temporal course of the magnetic field during the switch-on and switch-off process, for a quantum system in the singlet state, has no influence on the result of these preparation steps, can now be interpreted in such a way that the knowledge about the quantum system is in principle due to these preparation steps can not be changed. The internal properties do not seem to be coupled to the quantum system due to the energetic representation realized at the quantum system, but to be coupled to the quantum system solely on the basis of the knowledge that exists about the quantum system.

Der Grundgedanke des in dieser Arbeit vorgeschlagenen Verfahrens zur wechselwirkungsfreien Verschränkung von räumlich getrennten Quantensystemen bei dem kein klassischer Informationskanal erforderlich ist, lässt sich nun besonders einfach anhand des in [53] beschriebenen Verfahrens zur wechselwirkungsfreien Verschränkung von Quantensystemen verdeutlichen, wenn man als Ausgangszustand den Produktzustand Ψin = 1/2(|0>2 + |1>2)(|0>1 + |1>1) wählt. Um in [53] den für die Verschränkung erforderlichen Präparationsschritt durchführen zu können, muss das Quantensystem als energetisch repräsentiertes Quantensystem (das Quantensystem hat eine, für das Quantensystem mögliche, energetische Repräsentation realisiert) vorliegen. Damit dieser Präparationsschritt die für die Bell-Messung benötigten Photonen korrekt präparieren kann, muss über die Intensität der nur etwa 1 ps langen Laserpulse sichergestellt sein, dass beide Ionen gleichzeitig angeregt werden können und diese jeweils genau ein Photon emittieren. Weiter ist die äußerst kurze Pulsdauer erforderlich, um sicherstellen zu können, dass es prinzipiell unmöglich ist zu entscheiden, welches Ion welche Energie aus dem Laserpuls aufgenommen hat. Könnte man entscheiden welches Ion welche Energie aufgenommen hat, so wäre es prinzipiell unmöglich die zur Verschränkung der beiden Ionen erforderlichen Photonen in den benötigten Bell-Zustand zu präparieren, da man dann wüsste, welches Photon von welchem Ion emittiert wurde. Da man prinzipiell nicht vorhersagen kann, welche der für das Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen tatsächlich realisiert wurde, kann man nun nur darauf warten, bis das Quantensystem rein zufällig eine der gewünschten energetischen Repräsentationen realisiert hat. Wann dieses der Fall ist, wird über das Ergebnis der Bell-Messung eindeutig angezeigt. Erhält man bei der Bell-Messung das Ergebnis „an beiden Detektoren wurde gleichzeitig je ein Photon nachgewiesen”, so weiß man, dass darin das Quantensystem eine, dem Zustandsanteil Ψ zuschreibbare energetische Repräsentation realisiert hat. Dieses Wissen über das Quantensystem führt dann dazu, dass nun nicht mehr die dem ursprünglichen Produktzustand Ψin zugeordneten inneren Eigenschaften an das Quantensystem koppeln können, sondern nun nur noch die dem Zustand Ψ zugeordneten inneren Eigenschaften an das Quantensystem koppeln können. Die beiden Ionen wurden also durch die Bell-Messung erfolgreich in den maximal verschränkten Zustand –Ψ überführt.The basic idea of the method proposed in this work for the interaction-free entanglement of spatially separated quantum systems in which no classical information channel is required, can now be particularly easily illustrated by the method described in [53] for interaction-free entanglement of quantum systems, if the initial state is the product state Ψ in = 1/2 (| 0> 2 + | 1> 2 ) (| 0> 1 + | 1> 1 ). In order to be able to perform the preparation step required for the entanglement in [53], the quantum system must be present as an energetically represented quantum system (the quantum system has an energetic representation possible for the quantum system). For this preparation step to be able to correctly prepare the photons required for the Bell measurement, it must be ensured via the intensity of the laser pulses, which are only about 1 ps long, that both ions can be excited simultaneously and they each emit exactly one photon. Furthermore, the extremely short pulse duration is required to ensure that it is in principle impossible to decide which ion has absorbed which energy from the laser pulse. If one could decide which ion has absorbed which energy, it would in principle be impossible to prepare the photons necessary for the entanglement of the two ions into the required Bell state, because then one would know which photon was emitted by which ion. Since one can not predict in principle which of the quantum system's possible energetic representations has actually been realized, one can only wait for the quantum system to realize one of the desired energetic representations purely by chance. When this is the case, the result of the Bell measurement is clearly displayed. Obtained in the Bell measurement the result is "on both detectors was simultaneously detected per one photon," so it is known that in the quantum system a, the state ratio Ψ - attributable energy representation realized. This knowledge about the quantum system leads to the fact that now no longer the original product state Ψ in associated inner properties can be coupled to the quantum system, but now only the inner properties associated with the state Ψ - can be coupled to the quantum system. The two ions were thus successfully converted into the maximum entangled state -Ψ - by the Bell measurement.

Eine ganz grundsätzliche Schwierigkeit der in [531 beschriebenen Experimente ist, dass man dort mit energetisch repräsentierten Quantensystemen arbeitet und man somit immer darauf warten muss, bis das Quantensystem rein zufällig eine, der für die Verschränkung erforderlichen, energetischen Repräsentationen realisiert hat. Sehr viel einfacher wäre es, wenn man ein elementares Quantensystem so in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem überführen könnte, dass bei diesem Präparationsschritt nicht mehr alle für das elementare Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen realisiert werden können, sondern nur noch bestimmte energetische Repräsentationen realisiert werden können. Doch wie könnte dieses erreicht werden? A quite fundamental difficulty of the experiments described in [531 is that one works there with energetically represented quantum systems and one therefore always has to wait until the quantum system has, by chance, realized one, the energetic representations required for the entanglement. It would be much simpler if one could transform an elementary quantum system into an energetically represented quantum system so that in this preparation step not all possible energetic representations of the elementary quantum system can be realized, but only certain energetic representations can be realized. But how could this be achieved?

Ganz offensichtlich müsste hierzu ein selektiv wirkender Zwang auf das Quantensystem ausgeübt werden können. Nach den Überlegungen in Abschnitt V könnte dieses dadurch geschehen, dass man das Quantensystem energetisch an Vakuumfluktuationen koppelt. Wie Überlegungen zum Casimir-Effekt zeigen, sollte es möglich sein, eine beliebige Energie für eine beliebig lange Zeit aus dem Vakuum zu entnehmen, sofern die entsprechende Energie an einer anderen Stelle zeitgleich wieder an das Vakuum abgegeben wird. Ein ganz analoger Vorgang wäre dann aber auch für ein Quantensystem, das aus zwei identischen Spin 1/2 Systeme besteht, denkbar, sofern man dem Quantensystem den Zustandsanteil Ψ zuordnen und das Quantensystem die für den Zustandsanteil Ψ möglichen energetischen Repräsentationen realisieren kann. Am einfachsten lässt sich diese Vermutung anhand eines Beispiels verdeutlichen: Präpariert man ein aus zwei 40Ca+-Ionen bestehendes Quantensystem, wie in [17] beschrieben, in den Singulett-Zustand 1/21/2(|1>2|2>1 – |2>2|1>1), so liegt das Quantensystem, bei ausgeschaltetem Magnetfeld, als elementares Quantensystem vor. Sobald das der Ionenfalle überlagerbare Magnetfeld eingeschaltet wird, muss ein Ion die Energie ΔEz/2 im Spin-Freiheitsgrad aufnehmen und das andere Ion die Energie ΔEz/2 im Spin-Freiheitsgrad abgeben. Erfolgt der Einschaltvorgang nun so schnell, dass die Einschaltzeit Δts die Bedingung Δts < h/(4πΔEz/2) (Energie-Zeit-Unschärfe-Relation) erfüllt, so könnte ein Ion die Energie ΔEz/2 durch Absorption eines, durch eine Vakuumfluktuation entstanden, Photons aufnehmen und das andere Ion die Energie ΔEz/2, durch Abstrahlung eines Photons, an das Vakuum wieder abgeben. Physikalisch ließe sich dieser Vorgang als simultanes Umklappen der Spins interpretieren. Daher könnte man diesen Prozess auch als „kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen” bezeichnen.Obviously, this would require a selective compulsion to be exercised on the quantum system. According to the considerations in Section V, this could be done by energetically coupling the quantum system to vacuum fluctuations. As considerations of the Casimir effect show, it should be possible to extract any energy from the vacuum for any length of time, provided that the corresponding energy is released back to the vacuum at another point at the same time. A completely analogous process would then also for a quantum system consisting 1/2 systems of two identical spin, conceivable, if one of the quantum system the state share Ψ - Assign and the quantum system for the state share Ψ - can realize potential energy representations. The simplest way to clarify this conjecture is by means of an example: If a quantum system consisting of two 40 Ca + ions is prepared, as described in [17], the singlet state 1/2 1/2 (| 1> 2 | 2> 1 - | 2> 2 | 1> 1 ), the quantum system, with the magnetic field switched off, is present as an elementary quantum system. As soon as the magnetic field that can be superimposed on the ion trap is switched on, one ion must absorb the energy ΔE z / 2 in the spin degree of freedom and the other ion must emit the energy ΔE z / 2 in the spin degree of freedom. If the switch-on process is now so fast that the switch-on time Δt s fulfills the condition Δt s <h / (4πΔE z / 2) (energy-time-blur relation), then an ion could absorb the energy ΔE z / 2 by absorbing a created by a vacuum fluctuation, photons record and the other ion the energy .DELTA.E z / 2, by emitting a photon, to release the vacuum again. Physically, this process could be interpreted as simultaneous flipping of the spins. Therefore, this process could also be called "coherently coupled vacuum fluctuations".

Die Frage ist dann natürlich, ob der in Abschnitt V postulierte Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen tatsächlich auftreten kann und wenn ja, mit welcher Wahrscheinlichkeit? Wie in Abschnitt VII gezeigt wird, lässt sich diese Frage mit Hilfe des Spin-Statistik-Theorems angehen. Betrachtet man das Spin-Statistik-Theorem genauer, so stellt sich eine ganz grundsätzliche Frage: Welche Wirkung kann der Anwendung des Spin-Statistik-Theorems auf eine konkrete physikalische Situation zugeordnet werden und wie kann diese in Form eines Präparationsprozesses formuliert werden?The question then, of course, is whether the process of coherently coupled vacuum fluctuations postulated in Section V can actually occur and, if so, with what probability? As shown in Section VII, this question can be tackled using the spin-statistics theorem. Looking more closely at the spin statistics theorem, there is a fundamental question: what effect can be assigned to the application of the spin statistics theorem to a concrete physical situation and how can this be formulated in the form of a preparation process?

Einen Anhaltspunkt für bestimmte Fälle liefert die, sich an einem symmetrischen Strahlteiler ergebende Situation, wenn zwei zuvor unterscheidbare, identische Quantensysteme so auf den Strahlteiler auftreffen, dass diese nach dem Strahlteiler als ununterscheidbar angesehen werden müssen. Die Wirkung, die der Anwendung des Spin-Statistik-Theorems in dieser Situation zugeordnet werden kann, lässt sich für Bosonen formal mittels des unitären Operators UNLB und für Fermionen mittels des unitären Operatores UNLF beschreiben (siehe hierzu Gl. (59) bzw. Gl. (60)). Wie in Abschnitt VII weiter gezeigt wird, müssen die den Operatoren UNLB und UNLF zugeordneten Präparationsprozesse dann die folgenden Bedingungen erfüllen: 1.): Es muss prinzipiell unmöglich sein, ein einzelnes Quantensystem manipulieren zu können und 2.): Es muss prinzipiell unmöglich sein den Präparationsprozess als solchen beeinflussen zu können. Wobei zu beachten ist, dass die Operatoren UNLB und UNLF ein elementares Quantensystem in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem überführen.An indication of certain cases is provided by the situation arising on a symmetrical beam splitter when two previously distinguishable, identical quantum systems strike the beam splitter in such a way that they have to be regarded as indistinguishable after the beam splitter. The effect which can be assigned to the application of the spin statistics theorem in this situation can be formally described for bosons by means of the unitary operator U NLB and for fermions by means of the unitary operator U NLF (see Eq. Eq. (60)). As shown in Section VII, the preparation processes associated with operators U NLB and U NLF must satisfy the following conditions: 1.): In principle, it must be impossible to manipulate a single quantum system and 2.) It must be impossible in principle be able to influence the preparation process as such. It should be noted that the operators U NLB and U NLF transform an elementary quantum system into an energetically represented quantum system.

Ein ganz bemerkenswertes Ergebnis dieser Überlegungen ist, dass an keiner Stelle explizit eingeht, dass die einzelnen Quantensysteme nach dem Strahlteiler als ununterscheidbar angesehen werden müssen. Dieses legt die Vermutung nahe, dass die Operatoren UNLB und UNLF auch in Situationen realisiert werden könnten, in denen die Quantensysteme unterscheidbar bleiben.A remarkable result of these considerations is that nowhere explicitly states that the individual quantum systems after the beam splitter must be regarded as indistinguishable. This suggests that the operators U NLB and U NLF could also be realized in situations where the quantum systems remain distinguishable.

Wenn diese Vermutung zutrifft, dann würde daraus folgen, dass der in Abschnitt V postulierte Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen in bestimmten Situationen mit Sicherheit eintreten muss. Am einfachsten lassen sich diese Überlegungen anhand eines Beispiels verdeutlichen: Präpariert man in der, in [17] beschriebenen, Ionenfalle zwei 40Ca+-Ionen als elementares Quantensystem in den Produktzustand 1/41/2(i|1>2|1>1 + i|2>2|2>1 + |2>2|1>1 – |1>2|2>1), so kann dieses durch Einschalten des, der Ionenfalle überlagerbaren Magnetfeldes in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem überführt werden. Wählt man die Einschaltzeit Δts so kurz, dass die Bedingung Δts < h/(4πΔEz/2) erfüllt ist, so sollte nach den Überlegungen in Abschnitt V der Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen auftreten. Die Frage ist dann natürlich, in welchen Zustand das Quantensystem überführt wird? Treffen die Überlegungen in Abschnitt VII zu, so lässt sich der Einschaltvorgang des Magnetfeldes durch einen unitären Operator der Form UNLF beschreiben, da die für die Realisierung des Operators UNLF erforderlichen Bedingungen erfüllt sind. Die erste Bedingung ist erfüllt, da für das Magnetfeld angenommen wurde, dass dieses homogen ist. Somit ist es prinzipiell unmöglich, ein einzelnes Ion durch das Einschalten des Magnetfeldes zu manipulieren. Die zweite Bedingung ist erfüllt, da die Randbedingung Δts < h/(4πΔEz/2) sicherstellt, dass den energetischen Eigenzuständen der Ionen während des Einschaltvorgangs keine definierte Energie und daher dem Quantensystem auch keine zeitliche Zustandsentwicklung zugeordnet werden kann. Was zur Folge hat, dass es prinzipiell unmöglich ist den durch den Einschaltvorgang realisierten Präparationsprozess gezielt beeinflussen zu können. Nach dem Einschaltvorgang sollte das Quantensystem daher mit Sicherheit in dem maximal verschränkten Singulett-Zustand 1/21/2(|2>2|1>2 – |1>2|2>1) = –Ψ als energetisch repräsentiertes Quantensystem vorliegen.If this assumption were true, then it would follow that the process of coherently coupled vacuum fluctuations postulated in Section V must certainly occur in certain situations. The simplest way to clarify these considerations is by means of an example: In the ion trap described in [17], two 40 Ca + ions are prepared as an elementary quantum system in the product state 1/4 1/2 (i | 1> 2 | 1> 1 + i | 2> 2 | 2> 1 + | 2> 2 | 1> 1 - | 1> 2 | 2> 1 ), this can be converted into an energetically represented quantum system by switching on the magnetic field which can be superimposed on the ion trap. If the on-time Δt s is selected to be short enough to satisfy the condition Δt s <h / (4πΔE z / 2), then the process of coherently coupled vacuum fluctuations should occur, following the considerations in Section V. The question is then of course, in which state the quantum system is transferred? If the considerations in Section VII are correct, then the magnetic field switch-on process can be described by a unitary operator of the form U NLF , since the conditions necessary for the realization of the operator U NLF are fulfilled. The first condition is fulfilled because the magnetic field was assumed to be homogeneous. Thus, it is in principle impossible to manipulate a single ion by switching on the magnetic field. The second condition is satisfied, since the boundary condition Δt s <h / (4πΔE z / 2) ensures that the energetic eigenstates of the ions during the switch-on process can not be assigned a defined energy and therefore no temporal state development can be assigned to the quantum system. As a result, it is impossible in principle to be able to influence the preparation process realized by the switch-on process in a targeted manner. After the switch-on process, the quantum system should therefore be present in the maximally entangled singlet state 1/2 1/2 (| 2> 2 | 1> 2 - | 1> 2 | 2> 1 ) = -Ψ - as an energetically represented quantum system ,

Der Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen könnte somit die Verschränkung von unabhängigen Spin 1/2 Systemen ermöglichen, ohne dabei auf eine Wechselwirkung oder auf einen klassischen Informationskanal zurückgreifen zu müssen. Dieses sollte auch dann möglich sein, wenn die beiden Spin 1/2 Systeme in unterschiedlichen, räumlich getrennten Ionenfallen lokalisiert sind. Hierzu müsste dann lediglich vor Inbetriebnahme der Aufbauten ein verbindliches Protokoll erstellt werden, welches festlegt, zu welchen Zeitpunkten die, den jeweiligen Ionenfallen überlagerbaren, Magnetfelder zeitgleich eingeschaltet werden.The process of coherently coupled vacuum fluctuations could thus enable the entanglement of independent spin 1/2 systems without having to resort to an interaction or a classical information channel. This should also be possible if the two spin 1/2 systems are located in different spatially separated ion traps. For this purpose, a binding protocol would have to be created only before commissioning of the superstructures, which determines at which times the magnetic fields superimposed on the respective ion traps are switched on at the same time.

Um einen leistungsfähigen Quantencomputer realisieren zu können, sollte der für die Verschränkung zweier Quantensysteme herangezogene Präparationsprozess skalierbar sein. D. h., dieser sollte grundsätzlich auch dann anwendbar sein, wenn die Anzahl der beteiligten Quantensysteme beliebig groß ist. Der in Abschnitt V postulierte Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen könnte dieses ermöglichen.

  • II. Ein erster Interpretationsansatz: Es gibt wohl keinen anderen Bereich in der Physik, der sich so hartnäckig unserer Intuition entzieht wie die Quantenphysik. Die Quantenphysik ermöglicht uns zwar eine unglaublich präzise Beschreibung der Natur, eine wirklich befriedigende Interpretation liegt allerdings noch immer nicht vor. Die am weitesten verbreitete Interpretation ist die Standardinterpretation [1], deren Begriffe und Vorstellungen ich im Folgenden zugrunde legen möchte. Es werden aber auch andere Ansätze, die sich grundsätzlich von der Standardinterpretation unterscheiden, diskutiert. Beispielsweise die Bohmsche Mechanik [2] oder die Viele-Welten-Interpretation von Everett [1]. Auf diese möchte ich hier aber nicht weiter eingehen, da die grundsätzlichen Fragen im Rahmen der Standardinterpretation klar formuliert werden können. Allein schon die Tatsache, dass bis heute so unterschiedliche Interpretationsansätze diskutiert werden, kann man wohl nur als Indiz dafür auffassen, dass offensichtlich grundsätzliche Zusammenhänge noch nicht befriedigend verstanden sind.
In order to realize a powerful quantum computer, the preparation process used for the interleaving of two quantum systems should be scalable. That is, this should in principle be applicable even if the number of quantum systems involved is arbitrarily large. The process of coherently coupled vacuum fluctuations postulated in Section V could make this possible.
  • II. A first interpretation approach: There is probably no other area in physics that stubbornly eludes our intuition like quantum physics. Although quantum physics gives us an incredibly precise description of nature, a truly satisfying interpretation is still not available. The most widely used interpretation is the standard interpretation [1], whose terms and ideas I will base in the following. However, other approaches that differ fundamentally from the standard interpretation are also discussed. For example, the Bohmian mechanics or the Many-Worlds interpretation of Everett [1]. But I do not want to go into that here, since the fundamental questions can be clearly formulated in the framework of the standard interpretation. The very fact that so many different approaches to interpretation are being discussed to this day can only be taken as an indication that obviously fundamental connections are not yet satisfactorily understood.

Ein Grund hierfür ist sicher darin zu sehen, dass Begriffe und Vorstellungen durch unsere alltägliche Erfahrung geprägt sind. Naturgemäß ist es dann nicht verwunderlich, wenn man auf Schwierigkeiten stößt, mittels dieser Begriffe und Vorstellungen Phänomene zu beschreiben, die von unseren gewohnten Vorstellungen abweichenden Gesetzmäßigkeiten folgen. Nun ist die Quantenphysik jedoch nicht die erste physikalische Theorie die unsere Vorstellungen von der Welt auf eine harte Probe stellen. Betrachtet man beispielsweise die historische Entwicklung die zur Ausformulierung der klassischen Elektrodynamik geführt hat [3], so muss man feststellen, dass erst mit Einführung des Feldbegriffes durch Faraday die klassische Elektrodynamik in Form der Maxwell-Gleichungen möglich wurde. Erst mit der Einführung des Feldbegriffs konnten die beobachteten Phänomene systematisch eingeordnet werden und sich Vorstellungen von den zugrundeliegenden Gesetzmäßigkeiten entwickeln. Welcher Mühen es bedurfte, den vom heutigen Standpunkt plausiblen Feldbegriff einzuführen, kann man wahrscheinlich nur schwerlich nachvollziehen. Eine weitere, mit der klassischen Elektrodynamik historisch eng verbundene Theorie ist die von Einstein 1905 veröffentlichte spezielle Relativitätstheorie [4]. Im Unterschied zur Entwicklung der klassischen Elektrodynamik lagen in diesem Fall alle benötigten Begriffe bereits vor. Aber auch im Fall der speziellen Relativitätstheorie mussten gewohnte Vorstellungen aufgegeben werden. Für alle damals bekannten Wellen zeigte die Erfahrung, dass diese sich in einem Medium beispielsweise der Luft ausbreiten. Es war daher naheliegend zu postulieren, dass sich auch die, durch die Maxwell-Gleichungen beschriebenen, elektromagnetischen Wellen in einem Medium (dem Äther) ausbreiten. Man wusste allerdings schon damals, dass die Maxwell-Gleichungen unter Transformationen invariant sind, die heute als Lorentz-Transformationen bezeichnet werden, nicht aber unter Galilei-Transformationen invariant sind. Da die klassische Mechanik Galilei-invariant ist, lag die Forderung nahe, dass alle physikalischen Gesetze unter Galilei-Transformationen invariant sein sollten. Die Ätherhypothese implizierte aber, dass die klassische Elektrodynamik sich von allen anderen Bereichen der Physik unterscheidet, da es ein ausgezeichnetes Inertialsystem geben müsste in dem der Äther ruht. Allerdings scheiterten alle Versuche Inertialsysteme die sich relativ zum Äther bewegen zu finden. Ein bekanntes Experiment hierzu ist das Michelson-Morley Experiment [5]. Einstein gab die Forderung der Invarianz aller Naturgesetze unter Galilei-Transformationen und damit auch die Ätherhypothese auf und postulierte im Rahmen der speziellen Relativitatstheorie, dass alle Naturgesetze in allen Inertialsystemen die gleiche Form haben und dass die Lichtgeschwindigkeit c in allen Inertialsystemen denselben Wert hat. Die Forderung, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen denselben Wert hat, impliziert, dass alle Naturgesetze Lorentzinvariant sind. Diese beiden Postulate sind um so bemerkenswerter, wenn man bedenkt, dass 1905 noch keinerlei experimentelle Daten vorlagen, die diese beiden Postulate bestätigt hätten.One reason for this is surely to be seen in the fact that concepts and ideas are shaped by our everyday experience. Naturally, it is not surprising, if one encounters difficulties, to describe phenomena by means of these concepts and representations, which follow laws which deviate from our usual conceptions. But quantum physics is not the first physical theory to put our ideas of the world to the test. For example, if one considers the historical development that led to the formulation of classical electrodynamics [3], one must conclude that it was only with the introduction of the field concept by Faraday that classical electrodynamics in the form of the Maxwell equations became possible. It was only with the introduction of the concept of field that the observed phenomena could be systematically classified and ideas of the underlying laws developed. It is probably difficult to understand how hard it took to introduce the concept of field that is plausible from today's point of view. Another theory, historically closely connected with classical electrodynamics, is the special theory of relativity published by Einstein in 1905 [4]. In contrast to the development of classical electrodynamics, in this case all necessary terms were already available. But even in the case of the special theory of relativity habitual ideas had to be abandoned. For all waves known at that time, experience has shown that they spread in a medium, for example air. It was therefore obvious to postulate that the electromagnetic waves described by the Maxwell equations also propagate in a medium (the ether). However, even then it was known that the Maxwell equations are invariant under transformations that are today called Lorentz transformations, but are not invariant under Galilean transformations. Since classical mechanics is Galileo-invariant, it was suggested that all laws of physics should be invariant under Galilean transformations. The ether hypothesis, however, implied that classical electrodynamics differs from all other areas of physics because there must be an excellent inertial system in which the ether rests. However, all attempts failed to find inertial systems that move relative to the ether. A well-known experiment is the Michelson-Morley experiment [5]. Einstein demanded the invariance of all natural laws under Galileo transformations and thus also the ether hypothesis and postulated in the context of the special theory of relativity that all laws of nature have the same form in all inertial systems and that the speed of light c has the same value in all inertial systems. The requirement that the speed of light has the same value in all inertial systems implies that all laws of nature are Lorentz-invariant. These two postulates are all the more remarkable, considering that in 1905 there was no experimental data confirming these two postulates.

Worin ist nun aber die Ursache dafür zu sehen, dass sich die Quantenphysik so hartnäckig unserer Intuition entzieht, wir aber für die klassische Elektrodynamik und die spezielle Relativitätstheorie ein intuitives Verständnis entwickeln und auch auf eine allgemein akzeptierte Interpretation zurückgreifen können? Den wesentlichen Grund hierfür könnte man darin sehen, dass sowohl in der klassische Elektrodynamik als auch in der speziellen Relativitätstheorie in prägnanter Weise eine neue, die jeweilige Theorie auszeichnende Idee klar erkennbar ist. Was man unter einem Feld, beispielsweise dem elektrischen Feld zu verstehen hat, ist durch eine einfach verständliche, zumindest im idealisierten Fall, tatsächlich durchführbare Messvorschrift vorgegeben. Man messe die Kraft auf eine Probeladung zu einer bestimmten Zeit, an einem bestimmten Ort und verringere dann die Größe der Probeladung so lange, bis der gemessene Wert für den Quotienten Kraft pro Probeladung sich nicht mehr ändert (streng genommen ermittelt man den Grenzwert, wenn man die Größe der Probeladung gegen Null gehen lässt). Dieser Grenzwert entspricht dann der Feldstärke des elektrischen Feldes zu dieser Zeit, an diesem Ort. Für die spezielle Relativitätstheorie ist die neue, diese auszeichnende Idee schon in den beiden Postulaten klar verständlich formuliert. In diesem Sinne kann man die klassische Elektrodynamik und die spezielle Relativitätstheorie als vollständig oder abgeschlossen bezeichnen. Für die Quantenphysik ist es bisher jedoch nicht gelungen, eine diese „auszeichnende Idee” anzugeben.But what is the reason for seeing that quantum physics so stubbornly eludes our intuition, but that we can develop an intuitive understanding of classical electrodynamics and the special theory of relativity, and that we can also resort to a generally accepted interpretation? The main reason for this could be seen in the fact that both in classical electrodynamics and in the special theory of relativity in a concise way, a new, the respective theory auszeichnende idea is clearly recognizable. What is meant by a field, for example, the electric field, is given by an easily understandable, at least idealized, actually feasible measurement regulation. Measure the force on a sample charge at a certain time, at a certain location, and then reduce the size of the sample charge until the measured value for the quotient force per sample charge no longer changes (strictly speaking, the limit is determined when one the size of the sample charge goes to zero). This limit then corresponds to the field strength of the electric field at this time, at this location. For the special theory of relativity, the new, this outstanding idea is formulated in the two postulates clearly understandable. In this sense, classical electrodynamics and the special theory of relativity can be described as complete or completed. For quantum physics, however, it has not yet been possible to specify this "outstanding idea".

Der erste Schritt, um zu einer befriedigenden Interpretation für die Quantenphysik zu gelangen, ist ein tieferes Verständnis für die zentralen Begriffe der Quantenphysik zu entwickeln. Der zentrale Begriff in der Quantenphysik ist der Zustandsbegriff. Im Folgenden werden ausschließlich reine Zustände betrachtet. Diese können immer als Zustandsvektoren in einem geeignet gewählten Hilbertraum beschrieben werden [1]. Weiter möchte ich die in der Physik übliche Dirac-Schreibweise verwenden [1]. Ganz wesentliche Eigenschaften der Quantenphysik ergeben sich aus dem für Zustände postulierten Superpositionsprinzip [6], [7]. Unter dem Superpositionsprinzip versteht man Folgendes:
Gibt es bei der Präparation eines Zustandes mehrere unterschiedliche Möglichkeiten (Wege), in der Weise, dass es nicht einmal im Prinzip möglich ist, zu entscheiden, welche Möglichkeit (Weg) realisiert wurde, so ergibt sich der durch den Präparationsprozess resulierende Zustand durch die, mit der jeweiligen Wahrscheinlichkeitsamplitude gewichtete Summe der einzelnen Möglichkeiten (Wege).
The first step in arriving at a satisfactory interpretation for quantum physics is to develop a deeper understanding of the central concepts of quantum physics. The central concept in quantum physics is the concept of state. In the following, only pure states are considered. These can always be described as state vectors in a suitably chosen Hilbert space [1]. Next I would like to use the usual physics Dirac notation [1]. Quite essential properties of quantum physics result from the postulated superposition principle [6], [7]. The superposition principle is understood to mean the following:
If there are several different possibilities (pathways) in the preparation of a state, in such a way that it is not even possible in principle to decide which possibility (pathway) has been realized, then the state resulting from the preparation process is given by, weighted sum of the individual possibilities (ways) weighted with the respective probability amplitude.

Diese etwas abstrakt anmutende Formulierung des Superpositionsprinzips möchte ich zum besseren Verständnis kurz an einem einfachen Beispiel erläutern. Der aus der Optik bekannte verlustfreie symmetrische Strahlteiler (siehe ) überführt den Zustand Ψ0 = |1> des von oben auf den Strahlteiler ST1 eintreffenden Photons (Weg 1) in eine Superposition der Wege 2 und 3 nach: |1> → Ψ1 = 1/(2)1/2(|2> + |3>) (1) For a better understanding, I would like to briefly explain this slightly abstract formulation of the superposition principle with a simple example. The known from the optics lossless symmetrical beam splitter (see ) converts the state Ψ 0 = | 1> of the photon arriving from above onto the beam splitter ST1 (path 1 ) in a superposition of ways 2 and 3 to: | 1> → Ψ 1 = 1 / (2) 1/2 (| 2> + | 3>) (1)

Die Beziehung (1) ergibt sich allerdings auch ganz allgemein aus der Forderung, dass die durch einen verlustfreien symmetrischen Strahlteiler hervorgerufene Zustandstransformation im Rahmen der Quantenphysik durch eine unitäre Transformation beschreibbar sein muss [8], [1]. Der Faktor i kann als bei der Reflektion aufretender Phasensprung von π/2 bezogen auf den transmittierten Anteil interpretiert werden. Der Zustand Ψ0 steht hier für den, dem einzelnen Photon zugeordneten Wellenzug (Wellenpaket). Dieser wird über die Eigenschaften der verwendeten Quelle festgelegt. Die Wellenzüge |1> und |2> unterscheiden sich von |3> nur durch die unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen. Die durch die beiden prinzipiell ununterscheidbaren Möglichkeiten (Weg 2 oder 3) festgelegten Wahrscheinlichkeitsamplituden sind dann gegeben durch 1/(2)1/2 bzw. i/(2)1/2. Wie man an diesem Beispiel erkennen kann, müssen die Wahrscheinlichkeitsamplituden, im Gegensatz zu den in der klassischen statistischen Physik ausschließlich auftretenden positiven Wahrscheinlichkeitsdichten keine positiven Funktionen sein, sondern können auch komplexe Werte annehmen. Die beiden Begriffe müssen daher streng auseinandergehalten werden. Erst durch die Bildung des Betragsquadrates der Wahrscheinlichkeitsamplituden erhält man statistisch interpretierbare Größen. In diesem Fall die Wahrscheinlichkeiten dafür, das auf dem Weg 1 auf den symmetrischen Strahlteiler auftreffende Photon, nachdem dieses den Strahlteiler passiert hat, auf dem Weg 2 bzw. 3 zu detektieren. Die in (1) beschriebene Strahlteilereigenschaft gilt nicht nur für Photonen, sondern ganz allgemein sowohl für Bosonen als auch für Fermionen.However, the relation (1) also results quite generally from the requirement that the state transformation caused by a lossless symmetrical beam splitter must be describable by a unitary transformation within the framework of quantum physics [8], [1]. The factor i can be interpreted as π / 2 in the reflection aufretender phase jump with respect to the transmitted portion. The state Ψ 0 here stands for the wave train assigned to the individual photon (wave packet). This is determined by the properties of the source used. The wave trains | 1> and | 2> differ from | 3> only in the different propagation directions. The by the two basically indistinguishable possibilities (way 2 or 3 ) are then given by 1 / (2) 1/2 and i / (2) 1/2, respectively. As can be seen from this example, the probability amplitudes, in contrast to the positive probability densities exclusively occurring in classical statistical physics, do not have to be positive functions, but can also assume complex values. The two terms must therefore be kept strictly apart. Only by the formation of the sum of sums of the probability amplitudes one obtains statistically interpretable quantities. In this case the probabilities for that on the way 1 Photon striking the symmetric beam splitter after passing through the beam splitter on its way 2 respectively. 3 to detect. The beam splitting property described in (1) applies not only to photons, but more generally to both bosons and fermions.

Eine unmittelbare Folge des Superpositionsprinzips ist, dass Quantensysteme über beliebige Entfernungen augenblicklich aufeinander einwirken können. Die Quantenphysik kann für diese Wirkung aber weder einen Mechanismus noch eine plausible Erklärung angegeben. Als Erste haben auf diesen Sachverhalt 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen (EPR) in [9] hingewiesen. Quantensysteme bei denen dieser ganz wesentliche Aspekte der Quantenphysik auftritt, werden als verschränkte Systeme bezeichnet. Verschränkte Quantensysteme sind statistisch stärker korreliert als dieses klassisch möglich ist. Besonders eindrucksvolle Experimente hierzu sind Experimente zur Teleportation [10] oder zum „entanglement swapping” [11] mit Photonen. Bei diesen Experimenten können die Distanzen zwischen den einzelnen Teilsystemen viele Kilometer betragen. An immediate consequence of the superposition principle is that quantum systems can interact instantaneously over any distance. However, quantum physics can provide neither a mechanism nor a plausible explanation for this effect. Be the first to have this Facts 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky and Nathan Rosen (EPR) in [9]. Quantum systems where these very essential aspects of quantum physics occur are called entangled systems. Cross-linked quantum systems are statistically more correlated than is conventionally possible. Particularly impressive experiments are experiments on teleportation [10] or entanglement swapping [11] with photons. In these experiments, the distances between the individual subsystems can be many kilometers.

Bei allen in der Literatur betrachteten verschränkten Quantensystemen ist immer ein klassischer Informationskanal notwendig, um die Verschränkung der beteiligten Teilsysteme erkennen zu können. Man sieht sich mit der paradoxen Situation konfrontiert, dass zwar vermittelt über die Verschränkung der beteiligten Teilsysteme diese nichtlokal verbunden sind, das Wissen über diese Verschränkung aber nur über einen klassischen Informationskanal gewannen werden kann. Betrachtet man die Literatur, siehe beispielsweise [12], so kann man sich nicht des Eindrucks erwehren, dass diese Vorstellung zu einem Postulat erhoben wird. Worauf beruht nun aber die Vorstellung, dass ein klassischer Informationskanal zwingend erforderlich ist, um erkennen zu können, dass zwei Teilsysteme Teile eines verschränkten Quantensystems sind? In all interlaced quantum systems considered in the literature, a classical information channel is always necessary in order to be able to recognize the entanglement of the subsystems involved. One is confronted with the paradoxical situation that, although mediated by the entanglement of the participating subsystems, these are not connected locally, the knowledge of this entanglement can only be gained through a classical information channel. Looking at the literature, see for example [12], one can not help feeling that this notion is elevated to a postulate. But what is the basis for the idea that a classical information channel is absolutely necessary in order to be able to recognize that two subsystems are parts of an entangled quantum system?

Die grundsätzliche Argumentation ist die Folgende: In der Quantenphysik sind einzelne Messwerte prinzipiell nicht vorhersagbar, wenn mehrere Messergebnisse möglich sind. Dieses trifft natürlich auch auf verschränkte Systeme zu. Da weiter durch keine, wie auch immer geartete Messung an einem Teilsystem, die statistische Verteilung der möglichen Messwerte an den anderen Teilsystemen verändert werden kann, kann die Verschränkung von einzelnen Teilsystemen nur dadurch erkannt werden, dass die einzelnen Messwerte der beteiligten Teilsysteme zusammengeführt und dann statistisch ausgewertet werden. Hierzu ist allerdings ein klassischer Informationskanal notwendig.The basic argumentation is the following: In quantum physics, individual measured values are generally unpredictable if several measurement results are possible. Of course, this also applies to entangled systems. Since the statistical distribution of the possible measured values at the other subsystems can not be changed by any kind of measurement on a subsystem, the interleaving of individual subsystems can only be recognized by combining the individual measured values of the participating subsystems and then statistically be evaluated. However, this requires a classic information channel.

Es ist zwar eine Tatsache, dass einzelne Messergebnisse in der Quantenphysik nicht einmal prinzipiell vorhergesagt werden können, wenn mehrere Messergebnisse möglich sind, allerdings ist auch dieser Sachverhalt ein grundsätzlich unverstandener. Denn es ist in der Quantenphysik nicht möglich eine Beschreibung oder eine prägnante Vorstellung anzugeben, die es ermöglicht zu erklären, wieso in einem konkreten Experiment ein spezifisches Messergebnis auftritt und nicht ein anderes, wenn mehrere Messergebnisse möglich sind. Im Rahmen der Standardinterpretation zeigt sich dieses Problem dann als Messproblem. Dieses ist bis heute nicht gelöst. Auch die Dekohärenztheorie [1] in der die Umgebung, insbesondere das Messgerät, mit in die quantenphysikalische Beschreibung eingebunden wird, kann diese Frage nicht beantworten. Auch ist es zutreffend, dass durch keine, wie auch immer geartete Messung an einem Teilsystem, die statistische Verteilung der möglichen Messwerte an den anderen Teilsystemen verändert werden kann. Für Experimente, bei denen lediglich Messungen an den einzelnen Teilsystemen durchgeführt werden, kann daher gefolgert werden, dass nur genau dann erkannt werden kann, dass die beteiligten Teilsysteme Teil eines verschränkten Quantensystems sind, wenn zusätzlich ein klassischer Informationskanal zur Verfügung steht. Allerdings kann hieraus nicht geschlossen werden, dass im Rahmen der Quantenphysik prinzipiell ein klassischer Kanal benötigt wird, um erkennen zu können, dass die beteiligten Teilsysteme Teil eines verschränkten Quantensystems sind. Denn hierzu müsste man zeigen können, dass es im Rahmen der Quantenphysik keine andere Möglichkeit zur Informationsübertragung geben kann. Genau dieser Beweis konnte bisher jedoch nicht erbracht werden (siehe hierzu auch die Bemerkungen am Ende von Abschnitt VI).Although it is a fact that single measurement results in quantum physics can not even be predicted in principle, if several measurement results are possible, but this fact is a fundamentally unreasonable. For it is not possible in quantum physics to give a description or a succinct idea that makes it possible to explain why a specific measurement result occurs in one specific experiment and not another, if several measurement results are possible. In the context of standard interpretation, this problem then manifests itself as a measurement problem. This is not solved until today. Also, the decoherence theory [1] in which the environment, in particular the measuring device, is included in the quantum physical description can not answer this question. It is also true that by no measurement of any kind on a subsystem, the statistical distribution of the possible measured values on the other subsystems can be changed. For experiments in which only measurements are performed on the individual subsystems, it can therefore be concluded that only then can it be recognized that the subsystems involved are part of an entangled quantum system, if in addition a classical information channel is available. However, it can not be concluded from this that in the context of quantum physics, in principle, a classical channel is required in order to be able to recognize that the subsystems involved are part of an entangled quantum system. For this one would have to be able to show that quantum physics can not provide any other means of transmitting information. Exactly this proof could not be furnished so far however (see also the remarks at the end of section VI).

Der eigentliche Grund für die Vorstellung, dass ein klassischer Kanal zwingend erforderlich ist, um erkennen zu können, dass zwei Teilsysteme Teile eines verschränkten Quantensystems sind, liegt in unseren durch die klassische Physik geprägten Erfahrungen und den daraus bedingten Vorstellungen begründet. Im Rahmen der klassischen Physik ist es zwingend erforderlich, Energie von dem Sender der Information zu dem Empfänger der Information übertragen zu können. Da nach der speziellen Relativitätstheorie die Lichtgeschwindigkeit c in allen Inertialsystemen denselben Wert hat und Materie nicht auf eine Geschwindigkeit ≥ c beschleunigt werden kann, ist ein Austausch von Energie nur maximal mit Lichtgeschwindigkeit möglich. Somit kann aber ein Informationsaustausch ebenfalls nur mit maximal Lichtgeschwindigkeit erfolgen. Verschränkte Quantensysteme können zwar augenblicklich aufeinander einwirken, diese Wirkung ist aber offensichtlich nicht mit einem Austausch von Energie zwischen den beteiligten Teilsystemen verbunden. Wenn diese Vorstellung zutrifft, kann dann aber Information zwischen den beteiligten Teilsystemen nur maximal mit Lichtgeschwindigkeit mittels eines klassischen Kanals ausgetauscht werden, da ja nur dieser den notwendigen Energieaustausch ermöglicht.The very reason for the notion that a classical channel is imperative in order to recognize that two subsystems are parts of an entangled quantum system is rooted in our classical physics experience and the consequent notions. In the context of classical physics, it is imperative to be able to transmit energy from the sender of the information to the receiver of the information. Since, according to the special theory of relativity, the speed of light c has the same value in all inertial systems and matter can not be accelerated to a velocity ≥ c, an exchange of energy is only possible at maximum with the speed of light. Thus, however, an exchange of information can also take place only at maximum speed of light. Although entangled quantum systems can interact instantaneously, this effect is obviously not associated with an exchange of energy between the subsystems involved. If this idea is correct, then information between the participating subsystems can only be exchanged at maximum speed of light by means of a classical channel, since only this one enables the necessary energy exchange.

Nun wird man diese klassische Vorstellung nicht ohne triftigen Grund aufgeben. Die Frage ist also, ob es innerhalb der Quantenphysik experimentelle Hinweise gibt, die darauf hindeuten, dass man Informationen zwischen zwei räumlich getrennten Orten austauschen kann, ohne das Energie zwischen diesen ausgetauscht wird. Wie die in [13] beschriebenen Experimente zur wechselwirkungsfreien Quantenmessung zeigen, ist es zumindest möglich, Informationen über einen Ort an einem von diesem räumlich getrennten Ort zu erlangen, ohne dass zwischen beiden Orten Energie ausgetauscht wird, diese Orte also zu keinem Zeitpunkt in irgendeiner Form energetisch in Wechselwirkung getreten sind. Besonders anschaulich lässt sich das Prinzip der wechselwirkungsfreien Quantenmessung anhand des in schematisch dargestellten Mach-Zehnder-Interferometers verdeutlichen. Das Mach-Zehnder-Interferometer besteht aus zwei verlustfreien, symmetrischen Strahlteilern und zwei idealerweise ebenfalls verlustfreien Spiegeln. Am Strahlteiler ST1 wird das einfallende Licht zunächst in zwei Wellenzüge aufgespalten und mittels der beiden Spiegel Sp1 und Sp2 wieder am Strahlteiler ST2 überlagert. Trifft nun ein einzelnes Photon von oben auf den Strahlteiler ST1, so wird der Zustand Ψ0 gemäß der Strahlteilerregel (1) in eine Superposition der beiden möglichen Wege überführt. Wendet man die Strahlteilerregel (1) auf die auf den Strahlteiler ST2 auftreffenden Anteile |2> und |3> an, so werden diese bei einem symmetrischen Mach-Zehnder-Interferometer (beide möglichen Wege sind exakt gleich lang) überführt in: |2> → |1(2)1/2(|4> + i|5>) (2) |3> → 1/(2)1/2(|5> + i|4>) (3) Now you will not give up this classic idea without good reason. So the question is whether there is experimental evidence in quantum physics that suggests that information can be exchanged between two spatially separated locations without the energy being exchanged between them. As shown by [13] the interaction-free quantum measurement experiments, it is at least possible to obtain information about a location in one of these spatially separate locations without energy being exchanged between the two locations, ie at no time in any form energetically interacted. The principle of the interaction-free quantum measurement can be illustrated particularly clearly with reference to the in schematically illustrated Mach-Zehnder interferometer illustrate. The Mach-Zehnder interferometer consists of two lossless, symmetrical beam splitters and two ideally also lossless mirrors. At the beam splitter ST1, the incident light is first split into two wave trains and superimposed again at the beam splitter ST2 by means of the two mirrors Sp1 and Sp2. If a single photon hits the beam splitter ST1 from above, the state Ψ 0 is converted into a superposition of the two possible paths according to the beam splitter rule (1). If the beam splitter rule (1) is applied to the portions | 2> and | 3> incident on the beam splitter ST2, these are converted into a symmetrical Mach-Zehnder interferometer (both possible paths are exactly the same length) in: | 2> → | 1 (2) 1/2 (| 4> + i | 5>) (2) | 3> → 1 / (2) 1/2 (| 5> + i | 4>) (3)

Zusammen mit (1) ergibt sich dann für ein symmetrisches Mach-Zehnder-Interferometer die Beziehung: Ψ0 = |1> → Ψ4 = i|5> (4) Together with (1), the relationship for a symmetrical Mach-Zehnder interferometer is given by: Ψ 0 = | 1> → Ψ 4 = i | 5> (4)

Das auf dem Weg 1 auf den ersten Strahlteiler auftreffende Photon wird also, nachdem es das Mach-Zehnder-Interferometer durchquert hat, dieses mit Sicherheit auf dem Weg 5 wieder verlassen. Somit wird, wenn man einmal von technischen Schwierigkeiten absieht, immer der Detektor D1 ansprechen. Der Detektor D2 wird also im idealen Fall nie ein Photon detektieren. Diese Situation ändert sich jedoch schlagartig, wenn man einen der beiden möglichen Wege durch ein Hindernis blockiert. Blockiert man beispielsweise den Weg 2 durch einen weiteren Detektor D3 (siehe ), so wird das auf dem Weg 1 in das Mach-Zehnder-Interferometer eintretende Photon in 50% der Fälle von dem Detektor D3, in 25% der Fälle von dem Detektor D2 und in 25% der Fälle von dem Detektor D1 detektiert.That on the way 1 So after striking the Mach-Zehnder interferometer, the photon striking the first beam splitter will certainly be on its way 5 leave again. Thus, once one ignores technical difficulties, the detector D1 will always respond. The detector D2 will therefore never detect a photon in the ideal case. However, this situation changes abruptly when you block one of the two possible paths through an obstacle. Block the way, for example 2 through another detector D3 (see ), it will be on the way 1 photon entering the Mach-Zehnder interferometer is detected by the detector D3 in 50% of the cases, by the detector D2 in 25% of the cases and by the detector D1 in 25% of the cases.

Um verstehen zu können warum man hier von einer wechselwirkungsfreien Quantenmessung sprechen kann, ist es notwendig, sich zu überlegen, welche Eigenschaften man einem Photon zuschreiben kann. In den in [13] beschriebenen Experimenten liegt die Kohärenzlänge der verwendeten Photonen in der Größenordnung von 100 μm. Die Kohärenzlänge entspricht ungefähr der Länge des Wellenzugs (Wellenpaketes) eines Photons entlang der Ausbreitungsrichtung. Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird der Bereich den einzelne Photonen einnehmen können durch die, hier nicht eingezeichneten, bei der Erzeugung der Photonen verwendeten Blenden festgelegt. Die Größenordnung der Blenden liegt im Millimeterbereich. Somit ist die Energie einzelner Photonen mit Sicherheit in einem Raumgebiet von etwa 100 μm Länge und einem Durchmesser von etwa 1 mm lokalisiert (wenn man einmal von kreisrunden Blenden ausgeht), das sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Weiter ist es eine experimentell bestätigte Tatsache, dass die Energie eines Photons an einem Strahlteiler nicht aufgeteilt wird. Die Energie eines Photons wird also an einem Strahlteiler entweder vollständig reflektiert oder vollständig transmittiert, wobei es prinzipiell nicht möglich ist vorherzusagen welcher Fall eintritt. Würden sich Photonen wie klassische Teilchen verhalten, so würden diese wiederum, wenn der Weg 2 durch den Detektor D3 blockiert wird, in 50% der Fälle vom Detektor D3, in 25% der Fälle vom Detektor D2 und in 25% der Fälle vom Detektor D1 detektiert. Erst wenn beide Wege im Interferometer zur Verfügung stehen zeigt sich, dass Photonen den Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik unterliegen. Würden sich Photonen wie klassische Teilchen verhalten, so würden diese, wenn beide Wege möglich sind, in 50% der Fälle vom Detektor D1 und in 50% der Fälle vom Detektor D2 registriert. Da Photonen aber den Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik unterliegen, weiß man (im idealisierten Fall) mit Sicherheit, wenn ein Photon von dem Detektor D2 detektiert wird, dass ein Hindernis einen der beiden möglichen Wege des Interferometers (in diesem Beispiel der Detektor D3 den Weg 2 des Interferometers) blockiert. Wenn ein Photon vom Detektor D2 detektiert wird, weiß man dann aber ebenfalls mit Sicherheit, dass die Energie des Photons auf dem Weg 3 zu dem Detektor D2 gelangt ist, da die Energie eines Photons an Strahlteilern nicht aufgeteilt werden kann. Somit kann das Photon aber zu keinem Zeitpunkt energetisch mit dem Detektor D3 in Wechselwirkung getreten sein. Dieses ist der Grund, wieso man bei diesen Experimenten von einer wechselwirkungsfreien Quantenmessung spricht. Wie im Fall von klassischen Teilchen wird auch bei den verwendeten Photonen zu keinem Zeitpunkt Energie zwischen dem Detektor D3 und den Detektoren D1 und D2 ausgetauscht. Dennoch kann man im Unterschied zu klassischen Teilchen, immer dann wenn Detektor D2 anspricht, mit Sicherheit sagen, dass der Detektor D3 den Weg 2 blockiert.In order to understand why one can speak here of an interaction-free quantum measurement, it is necessary to consider which properties can be attributed to a photon. In the experiments described in [13], the coherence length of the photons used is of the order of 100 μm. The coherence length corresponds approximately to the length of the wave train (wave packet) of a photon along the propagation direction. Perpendicular to the direction of propagation, the area occupied by the individual photons can be determined by the diaphragms, not shown here, used in the generation of the photons. The size of the aperture is in the millimeter range. Thus, the energy of individual photons is safely localized in a space area of about 100 μm in length and about 1 mm in diameter (assuming circular apertures), which travel at the speed of light. Further, it is an experimentally confirmed fact that the energy of a photon is not split at a beam splitter. The energy of a photon is thus either completely reflected at a beam splitter or completely transmitted, whereby it is in principle not possible to predict which case will occur. If photons behave like classical particles, they would turn if the way 2 is blocked by the detector D3, detected in 50% of the cases by the detector D3, in 25% of the cases by the detector D2 and in 25% of the cases by the detector D1. Only when both paths are available in the interferometer does it become apparent that photons are subject to the laws of quantum physics. If photons behave like classical particles, they would be detected by the detector D1 in 50% of the cases and by the detector D2 in 50% of the cases if both paths are possible. However, since photons are subject to the laws of quantum physics, it is certainly known (ideally) that, when a photon is detected by detector D2, an obstacle will guide one of the two possible paths of the interferometer (detector D3 in this example) 2 of the interferometer). If a photon is detected by the detector D2, then you also know with certainty that the energy of the photon on the way 3 has come to the detector D2, since the energy of a photon beam splitters can not be divided. Thus, at no time can the photon interact energetically with detector D3. This is the reason why one speaks in these experiments of an interaction-free quantum measurement. As in the case of classical particles, the photons used will never become energy exchanged between the detector D3 and the detectors D1 and D2. Nevertheless, unlike classical particles, whenever detector D2 responds, one can say for sure that detector D3 is the way 2 blocked.

Die in [13] beschriebenen Experimente zeigen somit einerseits, dass man Informationen über einen Ort an einem von diesem räumlich beliebig entfernten Ort erhalten kann, ohne dass hierzu Energie zwischen diesen Orten ausgetauscht werden muss. Da diese Informationen aber offensichtlich nur maximal mit Lichtgeschwindigkeit erlangt werden können, zeigen diese Experimente andererseits, dass die aufgrund des Superpositionsprinzips in der Quantenphysik mögliche augenblickliche Wirkung nicht zwangsläufig auch eine augenblickliche Informationsübertragung impliziert. Offensichtlich muss man zwar die Vorstellung aufgeben, dass zur Übertragung von Informationen von einem Ort zwingend Energie von diesem zu einem anderen Ort übertragen werden muss, die Vorstellung, dass diese Information maximal mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden kann, wird durch diese Experimente jedoch nicht in Frage gestellt.The experiments described in [13] thus show on the one hand that one can obtain information about a location at a location that is spatially arbitrarily distant from one another, without energy having to be exchanged between these locations. On the other hand, since this information can only be obtained at maximum speed of light, these experiments show that the instantaneous effect possible in quantum physics due to the superposition principle does not necessarily imply an instantaneous transfer of information. Obviously, while it is necessary to abandon the idea that energy must be transmitted from one place to another to transfer information from one place, the idea that this information can be transmitted at maximum speed of light is not called into question by these experiments ,

Man kann an diesem Beispiel aber auch erkennen, dass die grundsätzlichen Verständnisschwierigkeiten bei Experimente die mit einzelnen Quantensystemen (hier einzelnen Photonen) durchgeführt werden vom verwendeten Zustandsbegriff herrühren. Der am weitesten verbreitete und auch im Rahmen der Standardinterpretation verwendete Zustandsbegriff ist der Folgende (siehe beispielsweise [1], Seite 30):
„Der Zustand eines Quantensystems Ist dem durchlaufenen speziellen Präparationsverfahren zugeordnet. Unter einem Quantenzustand (quantum state) verstehen wir dasjenige mathematische (!) Objekt, das es erlaubt, eindeutig die Wahrscheinlichkeit für die Ergebnisse aller möglichen Messungen an Systemen zu berechnen, die das zugeordnete Präparationsverfahren durchlaufen haben. Der Quantenzustand charakterisiert somit das Präparationsverfahren. Wir erwarten also nicht, dass der so eingeführte Quantenzustand eine Entsprechung in der Realität hat, die dem einzelnen Quantensystem zugeordnet werden kann.”
However, it can also be seen from this example that the fundamental difficulties of understanding in experiments that are carried out with individual quantum systems (in this case individual photons) derive from the concept of state used. The most widely used and also used in the context of the standard interpretation state concept is the following (see, for example, [1], page 30):
"The state of a quantum system is assigned to the special preparation procedure performed. By a quantum state we mean the mathematical (!) Object that allows us to calculate unambiguously the probability of the results of all possible measurements on systems that have undergone the associated preparation procedure. The quantum state thus characterizes the preparation process. So we do not expect the quantum state introduced in this way to have a correspondence in reality that can be assigned to the individual quantum system. "

Streng genommen, wird hier zwar nicht der Standpunkt vertreten, dass es prinzipiell nicht möglich ist, einem einzelnen Quantensystem einen Zustand zuzuordnen, in der Praxis hat sich jedoch die Vorstellung durchgesetzt, dass einem einzelnen Quantensystem kein Zustand zugeordnet werden kann. Ausgehend von dieser Vorstellung tut man sich dann natürlich schwer, für Experimente die mit einzelnen Quantensystemen durchgeführt werden, ein tieferes Verständnis für den Zustandsbegriff zu entwickeln, wenn man sich bei der Interpretation dieser Experimente ausschließlich auf die statistische Ebene beschränkt. Um von dem mathematischen Objekt Zustand zu einem physikalisch interpretierbaren Zustandsbegriff zu gelangen, der auch auf einzelne Quantensysteme anwendbar ist, ist es naheliegend, eine möglichst einfache und damit überschaubare Situation, wie beispielsweise das oben diskutierte Beispiel eines einzelnen Photons, das ein Mach-Zehnder-Interferometer durchquert, zu betrachten. Die grundsätzliche Frage ist dann, welche Informationen man bei einer Messung über den jeweiligen Zustand erlangen kann und wodurch diese Informationen zugänglich sind. Um diese Fragen angehen zu können, ist es aufschlussreich das Superpositionsprinzip genauer zu betrachten.Strictly speaking, it does not argue that, in principle, it is not possible to assign a state to a single quantum system, but in practice the idea has prevailed that no state can be assigned to a single quantum system. On the basis of this idea, one naturally finds it difficult to develop a deeper understanding of the concept of state for experiments carried out with individual quantum systems, if the interpretation of these experiments is limited exclusively to the statistical level. In order to move from the mathematical object state to a physically interpretable concept of state, which can also be applied to individual quantum systems, it is obvious that a situation that is as simple and as manageable as possible, such as the example of a single photon discussed above, which is a Mach-Zehnder Interferometer crosses to look at. The fundamental question then is what information can be obtained from a measurement of the respective state and how this information is accessible. To address these questions, it is instructive to take a closer look at the superposition principle.

Um im Rahmen des Superpositionsprinzips überhaupt von mehreren Möglichkeiten sprechen zu können, ist es erforderlich, dass das betrachtete Quantensystem eine unverwechselbare Eigenschaft besitzt, anhand derer man die jeweils realisierte Möglichkeit erkennen kann. In dem oben diskutierten Beispiel ist diese unverwechselbare Eigenschaft des in das Mach-Zehnder-Interferometer eintretenden Photons offensichtlich durch die Energie des Photons gegeben. Vor dem Strahlteiler ST1 ist die dem Photon zugeordnete Energie eindeutig innerhalb des Wellenzugs |1> lokalisiert. Die beiden prinzipiell ununterscheidbaren Möglichkeiten die sich für das auf den Strahlteiler ST1 auftreffende Photon ergeben, werden dann durch die beiden möglichen Wege repräsentiert, die die Energie des Photons am Strahlteiler nehmen kann. Man könnte also davon sprechen, dass der nach dem Strahlteiler ST1 vorliegende Zustand Ψ1 durch die beiden möglichen Wege die die Energie des Photons nehmen kann „energetisch repräsentiert” wird. Die beiden möglichen „energetischen Repräsentationen” sind dann: (1.) Die Energie des Photons ist in dem Wellenzug |2> lokalisiert oder (2.) die Energie des Photons ist in dem Wellenzug |3> lokalisiert. Wobei prinzipiell nicht vorhergesagt werden kann, welche energetische Repräsentation tatsächlich realisiert wurde. Mit welcher Wahrscheinlichkeit die einzelnen energetischen Repräsentationen realisiert werden, ist durch das Betragsquadrat der jeweiligen Wahrscheinlichkeitsamplituden festgelegt. Über die Phasen der einzelnen Wahrscheinlichkeitsamplituden erhält man über die energetischen Repräsentationen jedoch keine Informationen. Dieser Interpretationsansatz ist konsistent mit den experimentell bestätigten Tatsachen, dass ein Strahlteiler die Energie eines Photons nicht aufteilen kann und die verwendeten Detektoren die Energie des Photons nachweisen und in ein klassisch interpretierbares Signal umsetzen. Informationen über den Zustand des Quantensystems sind daher messtechnisch nur über die jeweils realisierte energetische Repräsentation zugänglich. Immer genau dann wenn einer der Detektoren D1, D2 oder D3 anspricht (siehe ) wird an dem Quantensystem eine Messung durchgeführt. Dieser einfache Interpretationsansatz ermöglicht es, ein tieferes Verständnis für die Beschreibung der wechselwirkungsfreien Quantenmessung auf der Zustandsebene zu entwickeln. Denn: Ist der Weg 2 durch den Detektor D3 blockiert und spricht dann Detektor D2 an, so weiß man mit Sicherheit, dass eine wechselwirkungsfreie Quantenmessung stattgefunden hat. In diesem Fall muss dann aber der Zustand Ψ1, sobald der Wellenzug |2> den Detektor D3 erreicht, gemäß Ψ1 = 1/(2)1/2(|2> + i|3>) → Ψ5 = i|3> (5) in den Zustand Ψ5 überführt worden sein, da an dem Detektor D3 keine Energie und damit auch kein Photon detektiert wurde. Da die Energie des Photons in diesem Fall im Wellenzug |3> lokalisiert war, wird mit dem Eintreffen des Wellenzugs |2> am Detektor D3 auch keine Messung durchgeführt, sondern der Zustand Ψ5 präpariert. Nur in dem Fall, dass die Energie des Photons im Wellenzug |2> lokalisiert war, kann diese am Detektor D3 zu einem Signal führen. Dann wird jedoch der Zustand Ψ1 zerstört. Abhängig davon, welche energetische Repräsentation des Zustands Ψ1 im Einzelfall realisiert wurde, wird an dem Quantensystem also mit Eintreffen des Wellenzugs |2> am Detektor D3 entweder eine Messung oder eine Zustandspräparation erfolgen.In order to be able to speak of several possibilities within the framework of the superposition principle, it is necessary that the considered quantum system has a distinctive property, by means of which one can recognize the respectively realized possibility. In the example discussed above, this distinctive property of the photon entering the Mach-Zehnder interferometer is evidently given by the energy of the photon. In front of the beam splitter ST1, the energy associated with the photon is uniquely located within the wave train | 1>. The two fundamentally indistinguishable possibilities that arise for the photon incident on the beam splitter ST1 are then represented by the two possible paths that can take the energy of the photon at the beam splitter. One could therefore say that the state Ψ 1 present after the beam splitter ST1 is "energetically represented" by the two possible paths which can take the energy of the photon. The two possible "energetic representations" are then: (1) the energy of the photon is localized in the wave train | 2> or (2) the energy of the photon is localized in the wave train | 3>. In principle, it can not be predicted which energetic representation was actually realized. The probability with which the individual energetic representations are realized is determined by the magnitude square of the respective probability amplitudes. However, no information about the phases of the individual probability amplitudes is obtained via the energetic representations. This interpretation approach is consistent with the experimentally confirmed facts that a beam splitter can not divide the energy of a photon and the detectors used detect the energy of the photon and convert it into a classically interpretable signal. Therefore, information about the state of the quantum system can only be accessed metrologically via the realized energy representation. Always when one of the detectors D1, D2 or D3 responds (see ), a measurement is made on the quantum system. This simple interpretation approach allows a deeper understanding of the description of the develop interaction-free quantum measurement at the state level. Because: is the way 2 blocked by the detector D3 and then addresses detector D2, so you know for sure that an interaction-free quantum measurement has taken place. In this case, however, the state Ψ 1 must , as soon as the wave train | 2> reaches the detector D3, according to Ψ 1 = 1 / (2) 1/2 (| 2> + i | 3>) → Ψ 5 = i | 3> (5) be transferred to the state Ψ 5 , since no energy and thus no photon was detected at the detector D3. Since the energy of the photon was localized in the wave train | 3> in this case, no measurement is carried out with the arrival of the wave train | 2> at the detector D3, but the state Ψ 5 is prepared. Only in the case that the energy of the photon was located in the wave train | 2> can it lead to a signal at the detector D3. Then, however, the state Ψ 1 is destroyed. Depending on which energetic representation of the state Ψ 1 has been realized in the individual case, the measurement of a quantum system will be either a measurement or a state preparation when the wave train | 2> arrives at the detector D3.

Wie man an diesem Beispiel sieht, ergibt sich dieser Interpretationsansatz auf ganz natürliche Art und Weise. Wesentlich hierfür ist die Begriffsbildung der „energetischen Repräsentation”. Diese impliziert, dass Informationen über den Zustand des betrachteten Quantensystems nur über die jeweils realisierte energetische Repräsentation möglich sind. Alle bisher betrachteten Zustände sind in diesem Sinne „energetisch repräsentierte Zustände”. Dem Zustand Ψ05) wird die energetische Repräsentation „Die Energie ist in dem Wellenzug |1> (|3>) lokalisiert” zugeordnet und dem Zustand Ψ1 werden die beiden möglichen energetischen Repräsentationen „(1.) Die Energie ist im Wellenzug |2> oder (2.) Die Energie ist im Wellenzug |3> lokalisiert” zugeordnet.As you can see from this example, this interpretive approach is quite natural. Essential for this is the conceptualization of the "energetic representation". This implies that information about the state of the considered quantum system is only possible via the respectively realized energy representation. All states considered so far are in this sense "energetically represented states". The state Ψ 05 ) is assigned the energetic representation "The energy is located in the wave train | 1> (| 3>)" and the state Ψ 1 becomes the two possible energetic representations "(1) Wave train | 2> or (2.) The energy is assigned in the wave train | 3> localized ".

Bei den bisherigen Betrachtungen wurde nur der räumliche Freiheitsgrad betrachtet. Mit diesem Interpretationsansatz lassen sich aber auch Experimente, bei denen der Spin der Photonen mit betrachtet werden muss beschreiben. Beispielsweise das bereits oben erwähnten Experiment zur Teleportation [10]. In dem dort beschriebenen Experiment sind die beteiligten Photonen über den Spin-Freiheitsgrad (die Polarisation) verschränkt. Um erkennen zu können, dass der Vorgang der Teleportation erfolgreich war, wird auf der Empfängerseite („BOB”) ein vollständig polarisierender Strahlteiler eingesetzt. Dieser verschränkt den Spin-Freiheitsgrad mit dem räumlichen Freiheitsgrad des auf diesen auftreffenden Photons. Mittels des vollständig polarisierenden Strahlteilers werden somit Informationen über den Spin-Freiheitsgrad über den räumlichen Freiheitsgrad zugänglich. Auch hier ist die Information über den Zustand des Quantensystems dadurch repräsentiert, welchen Weg die Energie des Photons am Strahlteiler nimmt. Ob die Energie des Photons an dem Strahlteiler reflektiert oder transmittiert wird. Aber auch für Interferenzexperimente mit Quantensystemen die eine von Null verschiedenen Ruhemasse haben, wie beispielsweise Moleküle oder Neutronen, können den entsprechenden Zuständen energetische Repräsentationen zugeordnet werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich die den betrachteten Photonen zugeordnete Energie durch die, über die Masse und die Geschwindigkeit der betrachteten Teilchen zugeordnete, kinetische Energie zu ersetzen. Entsprechende Interferenzexperimente mit Molekülen oder Neutonen werden beispielsweise in [14] bzw. in [15] beschrieben. Auch für Teilchen die einen Spin besitzen, wie beispielsweise Neutronen, ist es möglich den Spin-Freiheitsgrad mit dem räumlichen Freiheitsgrad zu verschränken und somit Informationen über den Spin-Freiheitsgrad mittels des räumlichen Freiheitsgrades zu erhalten. Hierauf werde ich weiter unten noch eingehen.In the previous considerations, only the spatial degree of freedom was considered. With this interpretation approach, however, experiments can be described in which the spin of the photons must be considered. For example, the above-mentioned experiment for teleportation [10]. In the experiment described there, the involved photons are entangled over the spin-degree of freedom (the polarization). In order to be able to recognize that the process of teleportation was successful, a completely polarizing beam splitter is used on the receiver side ("BOB"). This entangles the spin degree of freedom with the spatial degree of freedom of the incident photon on this. By means of the fully polarizing beam splitter thus information on the degree of spin freedom on the spatial degree of freedom are accessible. Again, the information about the state of the quantum system is represented by which path the energy of the photon takes at the beam splitter. Whether the energy of the photon is reflected or transmitted at the beam splitter. But even for interference experiments with quantum systems that have a non-zero rest mass, such as molecules or neutrons, energetic representations can be assigned to the corresponding states. For this, it is only necessary to replace the energy associated with the observed photons by the kinetic energy associated with the mass and velocity of the particles under consideration. Corresponding interference experiments with molecules or neutrons are described, for example, in [14] and in [15]. Even for particles which have a spin, such as neutrons, it is possible to entangle the degree of freedom of spin with the spatial degree of freedom and thus to obtain information about the degree of spin-freedom by means of the spatial degree of freedom. I'll talk about that later.

Wenn man annimmt, das der oben vorgeschlagene Interpretationsansatz ganz allgemein gültig ist und diese Annahme wird durch die im Folgenden betrachteten Beispiele erhärtet, so ergibt sich eine ganz grundsätzliche Frage. Ganz offensichtlich wird der Zustand eines Quantensystems durch die, diesem zugeordneten, energetischen Repräsentationen weder vollständig noch eindeutig beschrieben. Wie ich weiter unten aufzeigen werde, ist es auch möglich, Quantensysteme zu präparieren, deren Zustand man wohl nur so interpretieren kann, dass dieser keine energetische Repräsentation besitzt, aber jederzeit in einen energetisch repräsentierten Zustand überführt werden kann. Wobei auch der umgekehrte Präparationsschritt jederzeit möglich ist. Wenn es aber möglich ist, Quantensysteme so zu präparieren, dass der Zustand keine energetische Repräsentation besitzt, stellt sich dann natürlich die Frage, welche Rolle die energetischen Repräsentationen für die Zustandspräparation spielen und wie die, über den Zustand beschriebenen, Eigenschaften eines Quantensystems zu interpretieren sind. Die Präzisierung dieser Fragestellungen scheint mir der Schlüssel für eine befriedigende Interpretation und die Formulierung einer die Quantenphysik grundsätzlich charakterisierenden Idee zu sein.

  • III. Eine energetische Betrachtung einfacher Modellsysteme: Die Energie die in einem klassischen System beispielsweise als kinetische oder potentielle Energie gespeichert ist, kann im Prinzip zu jedem Zeitpunkt genau angegeben werden. Was kann man aber über die Energie eines einzelnen Quantensystems das in einem definierten Zustand präpariert wurde aussagen? Als Untersuchungsobjekt bieten sich hier einzelne Atome oder Ionen an. Experimente an einzelnen Atomen oder Ionen bieten die Möglichkeit gerade grundsätzliche Fragen zur Interpretation der Quantenphysik [16] an einem gut überschaubaren einfachen Quantensystem zu diskutieren. Experimente mit einzelnen Ionen [17] sind heutzutage mit hoher Präzision möglich. Die technische Grundlage für Experimente mit einzelnen Ionen wurde durch die Entwicklung geeigneter Ionenfallen gelegt [18]. Erst hierdurch wurde es möglich einzelne Ionen über einen längeren Zeitraum zu speichern, gezielt in definierten Zuständen zu präparieren und die erzeugten Zustände zu analysieren. Um einen direkten Bezug zu den in [17] beschriebenen Experimenten zu ermöglichen, möchte ich die dort eingeführten Bezeichnungen und Symbole hier übernehmen und die Ionenfalle kurz beschreiben.
If one assumes that the interpretation approach proposed above is generally valid and this assumption is corroborated by the examples considered below, a quite fundamental question arises. Obviously, the state of a quantum system is neither completely nor unambiguously described by the energetic representations assigned to it. As I will show below, it is also possible to prepare quantum systems, the state of which can only be interpreted as meaning that it has no energetic representation, but can at any time be transformed into an energetically represented state. Whereby the reverse preparation step is possible at any time. However, if it is possible to prepare quantum systems in such a way that the state has no energetic representation, then of course the question arises as to what role the energetic representations play in state preparation and how the properties of a quantum system described by the state are to be interpreted , The clarification of these questions seems to me to be the key to a satisfactory interpretation and the formulation of an idea fundamentally characterizing quantum physics.
  • III. An energetic consideration of simple model systems: The energy that is stored in a classical system, for example, as kinetic or potential energy, can in principle be specified exactly at any time. But what can one say about the energy of a single quantum system that has been prepared in a defined state? Here, single atoms or ions may be used as the examination object. Experiments on single atoms or ions offer the possibility to discuss basic questions concerning the interpretation of quantum physics [16] in a well-ordered simple quantum system. Experiments with single ions [17] are possible today with high precision. The technical basis for experiments with single ions was laid by the development of suitable ion traps [18]. Only then was it possible to store individual ions over a longer period of time, to purposely prepare them in defined states and to analyze the generated states. In order to make a direct reference to the experiments described in [17] possible, I would like to adopt the designations and symbols introduced there and briefly describe the ion trap.

Die in [17] verwendete lineare Ionen-Falle bietet die Möglichkeit einzelne aber auch mehrere Ionen zu speichern. In den Experimenten werden 40Ca+-Ionen verwendet. Der Aufbau der Ionenfalle ist schematisch in wiedergegeben. Über vier schneidenförmige Elektroden, an die eine hochfrequente elektrische Wechselspannung angelegt wird, wird die Bewegungsmöglichkeit der in der Falle gespeicherten Ionen bis auf einen Freiheitsgrad – die Bewegung entlang der x-Achse – eingeschränkt. Um die Ionen in der Falle halten zu können, ist an beiden Enden der Falle je eine weitere positiv geladene Elektrode angeordnet. Die Parameter der Ionenfalle sind so gewählt, dass die Lokalisierung der in der Falle gespeicherten Ionen etwa bei 1 μm liegt und der Abstand zwischen den Ionen etwa 5 μm beträgt. Der Ionenfalle ist in z-Richtung noch ein konstantes homogenes Magnetfeld überlagert. Dieses spaltet die Energieniveaus der verwendeten 40Ca+-Ionen über den anomalen Zeemaneffekt auf und legt die Quantisierungsrichtung fest. Die Ionenfalle wird im Vakuum bei etwa 10–9 Pa betrieben um Stöße zwischen den Ionen und den Restgasmolekülen ausschließen zu können.The linear ion trap used in [17] offers the possibility to store single but also several ions. The experiments use 40 Ca + ions. The structure of the ion trap is shown schematically in FIG played. By means of four blade-shaped electrodes, to which a high-frequency alternating electrical voltage is applied, the possibility of movement of the ions stored in the trap is limited to one degree of freedom - the movement along the x-axis. In order to hold the ions in the trap, a further positively charged electrode is arranged at both ends of the trap. The parameters of the ion trap are selected so that the localization of the ions stored in the trap is approximately 1 μm and the distance between the ions is approximately 5 μm. The ion trap is superimposed in the z-direction still a constant homogeneous magnetic field. This splits the energy levels of the 40 Ca + ions used via the anomalous Zeeman effect and determines the quantization direction. The ion trap is operated in a vacuum at about 10 -9 Pa in order to exclude collisions between the ions and the residual gas molecules.

Die einfachsten nichttrivialen Quantensysteme können durch Systeme mit zwei Energieniveaus realisiert werden. Diese werden häufig auch als Quantenbits kurz Qubits bezeichnet. zeigt ein vereinfachtes Energieniveauschema der verwendeten 40Ca+-Ionen. Die für die Diskussion relevanten Energieniveaus sind der Grundzustand |1>, der langlebige erste angeregte Zustand |0> und der kurzlebige angeregte Zustand |P>. Das Qubit wird mittels der beiden Zustände |1> und |0> realisiert. Diese bilden eine ONB (orthonormale Basis) in einem zweidimensionalen Hilbertraum H2. Jeder reine Zustand Ψ eines Qubits kann dann als ein Element des Hilbertraums H2 beschrieben werden durch Ψ = a0|0> + a1|1>, mit |a0|2 + |a1|2 = 1 (6) wobei a0 und a1 komplexe Zahlen sind. Sind beide Koeffizienten a0 und a1 ungleich Null, so spricht man von einem Überlagerungszustand. Der Zustand |0> kann mit dem Manipulationslaser bei einer Wellenlänge von 729 nm ausgehend vom Grundzustand |1> angeregt werden. Der Zustand |P> dient der Zustandsanalyse. Er kann mit dem Analysenlaser bei einer Wellenlänge von 397 nm ebenfalls ausgehend vom Grundzustand |1> angeregt werden. Die beiden möglichen Messergebnisse bei der Zustandsanalyse sind dann „Ion fluoresziert” (der Übergang von |1> nach |P> kann angeregt werden) und „Ion fluoresziert nicht” (der Übergang von |1> nach |P> kann nicht angeregt werden). Befindet sich das Ion vor der Zustandsanalyse im Grundzustand |1> so kann der Übergang von |1> nach |P> angeregt werden und man erhält als Messergebnis „Ion fluoresziert”. Kann der Übergang |1> nach |P> nicht angeregt werden, weil das Ion beispielsweise vor der Messung im Zustand |0> war, so erhält man als Messergebnis „Ion fluoresziert nicht”.The simplest nontrivial quantum systems can be realized by systems with two energy levels. These are often referred to as quantum bits short qubits. shows a simplified energy level scheme of the 40 Ca + ions used. The relevant energy levels for the discussion are the ground state | 1>, the long-lived first excited state | 0> and the short-lived excited state | P>. The qubit is realized by means of the two states | 1> and | 0>. These form an ONB (orthonormal basis) in a two-dimensional Hilbert space H 2 . Any pure state Ψ of a qubit can then be described as an element of the Hilbert space H 2 by Ψ = a 0 | 0> + a 1 | 1>, with | a 0 | 2 + | a 1 | 2 = 1 (6) where a 0 and a 1 are complex numbers. If both coefficients a 0 and a 1 are not equal to zero, then one speaks of a superposition state. The state | 0> can be excited with the manipulation laser at a wavelength of 729 nm starting from the ground state | 1>. The state | P> is used for state analysis. It can also be excited with the analysis laser at a wavelength of 397 nm starting from the ground state | 1>. The two possible measurement results in the state analysis are then "ion-fluoresces" (the transition from | 1> to | P> can be excited) and "ion does not fluoresce" (the transition from | 1> to | P> can not be excited) , If the ion is in the ground state | 1> before the state analysis, the transition from | 1> to | P> can be excited and the result obtained is "ion fluoresced". If the transition | 1> to | P> can not be excited because the ion was in the state | 0>, for example, before the measurement, the result obtained is "Ion does not fluoresce".

Die Voraussetzung um mehrere Ionen in einem verschränkten Zustand präparieren zu können, ist ein einzelnes Ion definiert in einem gewünschten Zustand präparieren zu können. Das in [17] verwendete Präparationsverfahren kann als analog zu dem aus der NMR [22] (Nuclear magnetic resonance) bekannten Präparationsverfahren für Spin-Systeme angesehen werden. Die Bewegungsgleichungen eines Spin ½-Systems wurden erstmals von F. Bloch [32] genau diskutiert und werden daher auch als Blochgleichungen bezeichnet. Feynman, Vernon und Helwarth [19] konnten dann zeigen, dass die Bewegungsgleichungen jedes Zweiniveausystems formal mit den Bewegungsgleichnngen eines Spin ½-Systems übereinstimmen. Diese formale Übereinstimmung ermöglicht es auch, das anschauliche Bild der Bloch-Kugel zur Beschreibung der Zustände eines Spin ½-Systems mittels des Blochvektors auf optische Zweiniveausysteme anzuwenden. Jeder Zustand lässt sich somit als Punkt auf der Oberfläche der Bloch-Kugel (der Spitze des Blochvektors) anschaulich darstellen [1], [19]. Wird beispielsweise ein Ion ausgehend vom Grundzustand |1> mittels eines π/2-Pulses (R1,–y(π/2)) in den Überlagerungszustand Ψ7 = 1/21/2(|0> + |1>) (7) präpariert, so entspricht dieses der Rotation des Blochvektors um 90° um die –ey-Achse der Blochkugel. Der Blochvektor der zu Beginn in die –ez-Richtung gezeigt hat, zeigt danach in die ex-Richtung. Aufgrund dieser Analogie werden allgemein Zweiniveau-Systeme auch häufig als Pseudo-Spin 1/2-Systeme und im Fall optischer Zweiniveau-Systeme die Blochgleichungen als optische Blochgleichungen bezeichnet. Für diese ist über die z-Komponente des Bloch-Vektors die Wahrscheinlichkeit ein Ion nach einer Zustandsmessung im Grundzustand |1> oder im angeregten Zustand |0> vorzufinden, festgelegt. Die x- und y-Komponente beschreibt dann die quantenphysikalische Kohärenz zwischen diesen beiden Zuständen und kann physikalisch als oszillierendes elektrisches Moment interpretiert werden. Über die Phase der Laserpulse relativ zum oszillierenden Moment der Ionen kann die Rotationsachse des Blochvektors festgelegt werden. Über die Pulsdauer und die Pulsintensität kann der Rotationswinkel des Blochvektors vorgegeben werden [17]. Mittels der Zustandstomographie [17] kann der jeweils präparierte Zustand des Systems analysiert werden.The prerequisite for being able to prepare several ions in an entangled state is to be able to prepare a single ion defined in a desired state. The preparation method used in [17] can be regarded as analogous to the preparation method for spin systems known from NMR [22] (nuclear magnetic resonance). The equations of motion of a spin ½ system were first discussed in detail by F. Bloch [32] and are therefore also called Bloch equations. Feynman, Vernon, and Helwarth [19] were able to show that the equations of motion of each two-level system are formally consistent with the equations of motion of a spin ½ system. This formal correspondence also makes it possible to apply the descriptive image of the Bloch sphere to the two-level optical systems using the Bloch vector to describe the states of a spin ½ system. Each state can thus be represented graphically as a point on the surface of the Bloch sphere (the top of the Bloch vector) [1], [19]. For example, is an ion starting from the ground state | 1> by means of a π / 2 pulse (R 1, -y (π / 2)) in the superposition state Ψ 7 = 1/2 1/2 (| 0> + | 1>) (7) prepared, this corresponds to the rotation of the Bloch vector by 90 ° about the -e y -axis of the Blochkugel. The Bloch vector, which initially showed in the -e z direction, then points in the e x direction. Because of this analogy, two-level systems are also commonly referred to as pseudo-spin 1/2 systems, and in the case of 2-level optical systems, the block equations are called optical block equations. For these, the probability of finding an ion after a state measurement in the ground state | 1> or in the excited state | 0> is determined via the z-component of the Bloch vector. The x and y component then describes the quantum physical coherence between these two states and can be physically interpreted as an oscillating electrical moment. About the phase of the laser pulses relative to the oscillating moment of the ions, the axis of rotation of the Bloch vector can be determined. The rotation angle of the Bloch vector can be specified via the pulse duration and the pulse intensity [17]. By means of state tomography [17] the respectively prepared state of the system can be analyzed.

Für ein einzelnes Ion in der Ionenfalle erhält man dann folgende experimentell bestätigte Fakten:

  • I): Wenn man zu Beginn das Ion im Grundzustand |1> präpariert und dann das Ion mit dem Analysenlaser beleuchtet, weiß man mit Sicherheit, dass man als Messergebnis „Ion fluoresziert” erhält. Wird das Ion zu Beginn im Grundzustand präpariert und danach mit dem Manipulationslaser mittels eines π-Pulses (R1,–y(π)) beleuchtet, dann weiß man ebenfalls mit Sicherheit (wenn man einmal von experimentellen Unsicherheiten absieht), dass man als Messergebnis „Ion fluoresziert nicht” erhält, da das Ion nach dem π-Puls im angeregten Zustand |0> vorliegt.
  • II): Präpariert man das Ion in einem Überlagerungszustand, so kann ein einzelnes Messergebnis prinzipiell nicht mehr vorhergesagt werden. Man kann für ein einzelnes Messergebnis nur noch eine über das Betragsquadrat der Amplituden a0 und a1 festgelegte Wahrscheinlichkeit angeben. Präpariert man beispielsweise das Ion ausgehend vom Grundzustand |1> mit dem Manipulationslaser mittels eines π/2-Pulses (R1,–y(π/2)) in den Überlagerungszustand Ψ7, so treten die beiden Messergebnisse „Ion fluoresziert” und „Ion fluoresziert nicht” in diesem Fall mit gleicher Wahrscheinlichkeit ein. D. h., in 50% der Fälle erhält man das Ergebnis „Ion fluoresziert” und in 50% der Fälle das Ergebnis „Ion fluoresziert nicht”.
For a single ion in the ion trap, the following experimentally confirmed facts are obtained:
  • I): If one prepares the ion in the ground state | 1> at the beginning and then illuminates the ion with the analysis laser, one knows with certainty that one receives "ion fluorescence" as measurement result. If the ion is initially prepared in the ground state and then illuminated with the manipulation laser by means of a π-pulse (R 1, -y (π)), then one knows with certainty (apart from experimental uncertainties) that one as a measurement result "Ion does not fluoresce" because the ion is present after the π-pulse in the excited state | 0>.
  • II): If the ion is prepared in a superposition state, a single measurement result can in principle no longer be predicted. For a single measurement result, it is only possible to specify a probability determined by means of the absolute value squares of the amplitudes a 0 and a 1 . If, for example, the ion is prepared from the ground state | 1> with the manipulation laser by means of a π / 2 pulse (R 1, -y (π / 2)) into the superposition state Ψ 7 , the two measurement results "ion fluoresces" and " Ion does not "fluoresce" in this case with equal probability. In other words, in 50% of the cases the result "ion fluoresces" and in 50% of the cases the result "ion does not fluoresce".

Nun stellt sich die Frage, wie die beiden möglichen Messergebnisse „Ion fluoresziert” und „Ion fluoresziert nicht” interpretiert werden können?Now the question arises, how the two possible measurement results "Ion fluoresces" and "Ion does not fluoresce" can be interpreted?

Hat man als Messergebnis „Ion fluoresziert” erhalten, so weiß man mit Sicherheit, dass das Ion nach der Messung im Grundzustand |1> vorliegt. Hat man als Messergebnis „Ion fluoresziert nicht” erhalten, so weiß man mit Sicherheit, dass das Ion nach der Messung im angeregten Zustand |0> vorliegt. Damit ein Ion aber, nachdem das Messergebnis „Ion fluoresziert nicht” vorliegt, im angeregten Zustand vorliegen kann, muss das Ion zu irgendeinem Zeitpunkt ein Lichtquant (mit der Energie hf01, wobei mit h das Planksche Wirkungsquantum und mit f01 die den Übergang von |1> nach |0> resonant anregende Übergangsfrequenz bezeichnet sind) absorbiert haben. Wenn man also das Ion ausgehend vom Grundzustand |1> durch einen weiteren Präparationsschritt in einen beliebigen Zustand präpariert und als Messergebnis „Ion fluoresziert nicht” erhält, so muss das Ion während dieses Präparationsschrittes irgendwann die Energie eines Lichtquants (hf01) aufgenommen haben, da ja nur der Manipulationslaser Lichtquanten mit der entsprechenden Energie (hf01) bereitstellen kann. Hier wurde angenommen, dass ein Laserpuls mit einem Ion nur so lange Wechselwirken kann, wie der Laserpuls räumlich mit dem Ion überlappt und nur während dieser Wechselwirkungszeit (der Pulsdauer) Energie zwischen dem Laserpuls und dem Ion quantisiert in Form von Lichtquanten ausgetauscht werden kann.If one has obtained "Ion fluorescence" as measurement result, one knows with certainty that the ion is in the ground state | 1> after the measurement. If the measurement result is "Ion does not fluoresce", then one knows with certainty that the ion is present in the excited state | 0> after the measurement. However, in order for an ion to be in the excited state after the measurement result "Ion does not fluoresce", the ion must at some point have a quantum of light (with the energy hf 01 , where h is Plank's constant and f 01 is the transition of | 1> after | 0> resonant excitation transition frequency are called) have absorbed. Therefore, if one prepares the ion in an arbitrary state from a ground state | 1> by a further preparation step and obtains the result "ion does not fluoresce", the ion must have absorbed the energy of a light quantum (hf 01 ) at some point during this preparation step yes, only the manipulation laser can provide light quanta with the appropriate energy (hf 01 ). Here it was assumed that a laser pulse can interact with an ion only as long as the laser pulse spatially overlaps with the ion and only during this interaction time (the pulse duration) energy between the laser pulse and the ion quantized in the form of light quanta can be exchanged.

Somit kann man folgende Interpretation (IN1) für die beiden Messergebnisse „Ion fluoresziert” und „Ion fluoresziert nicht” angeben:
IN1): Erhält man das Messergebnis „Ion fluoresziert nicht”, so weiß man mit Sicherheit, dass das Ion die Energie hf01 gespeichert (ein Lichtquant mit der Energie hf01 aufgenommen) hat. Erhält man als Messergebnis „Ion fluoresziert”, so weiß man mit Sicherheit, dass das Ion keine Energie gespeichert hat. D. h., die beiden möglichen Messergebnisse repräsentieren unabhängig vom präparierten Zustand der Ionen eindeutig die Information ob ein konkretes Ion Energie gespeichert hat („Ion fluoresziert nicht”) oder ob ein konkretes Ion keine Energie gespeichert hat („Ion fluoresziert”).
Thus, the following interpretation (IN1) can be given for the two measurement results "Ion fluoresces" and "Ion does not fluoresce":
IN1): If one obtains the measurement result "Ion does not fluoresce", one knows with certainty that the ion has the energy hf 01 stored (a light quantum with the energy hf 01 taken). If one obtains the measurement result "Ion fluoresces", then one knows with certainty that the ion has stored no energy. In other words, the two possible measurement results unambiguously represent the information regardless of the prepared state of the ions whether a specific ion has stored energy ("ion does not fluoresce") or whether a specific ion has not stored any energy ("ion fluoresces").

Die dem Grundzustand |1> zugeordnete Energie wurde hier gleich Null gesetzt. Damit ergibt sich zwanglos die Interpretation (IN2) für die Zustände |1> und |0>:
IN2): Wird ein Ion in den Grundzustand |1> präpariert, so repräsentiert der Zustand |1> die Information „Ion hat keine Energie gespeichert”. Präpariert man anderseits ein Ion in den angeregten Zustand |0>, so repräsentiert der Zustand |0> dann die Information „Ion hat die Energie hf01 gespeichert.
The energy assigned to the ground state | 1> has been set equal to zero here. The result is an informal interpretation (IN2) for the states | 1> and | 0>:
IN2): If an ion is prepared in the ground state | 1>, the state | 1> represents the information "Ion has no energy stored". On the other hand, if one prepares an ion in the excited state | 0>, the state | 0> then represents the information "Ion has stored the energy hf 01 .

Wie ist nun aber ein Überlagerungszustand zu interpretieren?But how is a superposition state to be interpreted?

Nach II.) ist es ein Faktum, dass für ein Ion das in einen Überlagerungszustand präpariert wurde, einzelne Messergebnisse prinzipiell nicht vorhergesagt werden können. Somit kann man aber auch keinerlei Informationen darüber haben, ob ein konkretes Ion die Energie hf01 gespeichert hat oder nicht. Denn hätte man zumindest im Prinzip die Möglichkeit zu entscheiden, ob ein einzelnes Ion die Energie hf01 gespeichert hat oder nicht, könnte man ja jedes einzelne Messergebnis auch vorhersagen. Was aber nach II.) nicht möglich ist. According to II.) It is a fact that for an ion that was prepared in a superposition state, individual measurement results can not be predicted in principle. So you can not have any information about whether a specific ion has the energy hf 01 or not. Because if you had at least in principle the ability to decide whether or not a single ion has stored the energy hf 01 , you could also predict every single measurement result. But what is not possible according to II.).

Damit ergibt sich für Überlagerungszustände die folgende Interpretation (IN3):
IN3): Ein Überlagerungszustand repräsentiert die Information, dass es zwei prinzipiell ununterscheidbare Möglichkeiten gibt: 1.): „Ion hat die Energie hf01 gespeichert” oder 2.): „Ion hat keine Energie gespeichert”. Mit welcher Wahrscheinlichkeit die beiden Möglichkeiten vorliegen, wird durch das Betragsquadrat der Amplituden a0 und a1 der beiden Möglichkeiten angegeben.
This results in the following interpretation (IN3) for superposition states:
IN3): A superposition state represents the information that there are two basically indistinguishable possibilities: 1.): "Ion has stored the energy hf 01 " or 2.): "Ion has no energy stored". The probability of the two possibilities is given by the magnitude square of the amplitudes a 0 and a 1 of the two possibilities.

Präpariert man beispielsweise ein Ion in den Überlagerungszustand Ψ7 ausgehend vom Grundzustand |1> mittels eines π/2-Pulses (R1,–y(π/2)), so ist der präparierte Zustand eindeutig festgelegt. Aber die Frage „Ion hat die Energie hf01 gespeichert oder hat keine Energie gespeichert” ist prinzipiell nicht zu beantworten. Man kann hierfür nur eine Wahrscheinlichkeit von 50% angeben. Erst durch eine Zustandsmessung kann entschieden werden, ob ein konkretes Ion Energie gespeichert hat oder nicht. Der Überlagerungszustand Ψ7 wird durch die Zustandsmessung aber unweigerlich in den Zustand |1> oder |0> überführt, je nachdem welches Messergebnis man erhalten hat.If, for example, an ion is prepared in the superposition state Ψ 7 starting from the ground state | 1> by means of a π / 2 pulse (R 1, -y (π / 2)), then the prepared state is clearly established. But the question "Ion has stored the energy hf 01 or has no energy stored" can not be answered in principle. You can only specify a probability of 50% for this. Only by a state measurement can be decided whether a specific ion has stored energy or not. However, the state of superposition Ψ 7 is inevitably transferred to the state | 1> or | 0> by the state measurement, depending on which measurement result has been obtained.

Damit ist die Grundlage für die Interpretation verschränkter Zustände gelegt.This lays the foundation for the interpretation of entangled states.

Die Beschreibung zusammengesetzter Qubitsysteme ermöglicht der Produkt-Hilbertraum der über das Tensorprodukt der Hilberträume der einzelnen Qubits definiert ist. Für ein zusammengesetztes System aus zwei Qubits ergibt sich der vierdimensionale Produkt-Hilbertraum H4 = H2 2 × H1 2, wobei Hi 2, i = 1,2 die beiden zweidimensionalen Hilberträume der einzelnen Teilsysteme bezeichnen. Ein Zustand wird in diesem Produkt-Hilbertraum als verschränkt bezeichnet, wenn es keine Elemente φ1∊H1 2 und φ2∊H2 2 gibt, so dass Ψ in der Form Ψ = φ2φ1 (8) d. h. als Produkt geschrieben werden kann [1]. Für die Diskussion verschränkter Zustände werden im folgenden zwei Ionen in der Ionenfalle betrachtet. Dieses schränkt die Allgemeinheit der getroffenen Aussagen nicht ein. Alle Schlussfolgerungen sind auch für verschränkte Systeme mit einer beliebigen Anzahl an Ionen gültig.The description of composite qubit systems allows the product Hilbert space, which is defined by the tensor product of the Hilbert dreams of the individual qubits. For a composite system of two qubits, the four-dimensional product Hilbert space H 4 = H 2 2 × H 1 2 results, where H i 2 , i = 1,2 denote the two two-dimensional Hilbert spaces of the individual subsystems. A state is referred to as entangled in this product Hilbert space, if there are no elements φ 1 εH 1 2 and φ 2 εH 2 2 , so that Ψ in the form Ψ = φ 2 φ 1 (8) ie can be written as a product [1]. For the discussion of entangled states, two ions in the ion trap are considered below. This does not limit the generality of the statements made. All conclusions are also valid for entangled systems with any number of ions.

Ein bekanntes Beispiel für einen verschränkten Zustand ist der Bell-Zustand Ψ 21 = 1/21/2(|1,0> – |0,1>) = 1/21/2(|1>2|0>1 – |0>2|1>1) (9) A well-known example of an entangled state is the Bell state Ψ - 21 = 1/2 1/2 (| 1.0> - | 0.1>) = 1/2 1/2 (| 1> 2 | 0> 1 - | 0> 2 | 1> 1 ) ( 9)

Dieser maximal verschränkte Zustand wird auch in [17] diskutiert und das Präparationsverfahren wird explizit angegeben. Um die Präparationsschritte beschreiben zu können, ist es notwendig eine weitere Quantenzahl v einzuführen, die die gemeinsame Grundschwingung der in der Ionenfalle befindlichen Ionen beschreibt. Diese Grundschwingung bei der alle Ionen im Gleichtakt („der Abstand zwischen den Ionen bleibt konstant”) mit der Frequenz f+ entlang der x-Achse der Ionenfalle schwingen, kann dadurch angeregt werden, dass man ein beliebiges Ion mittels des Manipulationslasers mit der Frequenz (f01 + f+) beleuchtet. Man bezeichnet die Frequenz (f01 + f+) auch als blaues Seitenband der Trägerfrequenz f01 die den Übergang von |1> nach |0> resonant anregt. v = 0 bedeutet dann, dass die gemeinsame Grundschwingung nicht angeregt ist. v = 1 bedeutet, dass die gemeinsame Grundschwingung angeregt ist. Der Grundzustand ergibt sich dann zu Ψ0 = |1,1,v=0>. Beide Ionen liegen im Grundzustand vor und die gemeinsame Grundschwingung ist nicht angeregt. Das linke Ion in der Ionenfalle wird als Ion 2 und das rechte als Ion 1 bezeichnet. Wird dann beispielsweise ausgehend vom Grundzustand Ψ0 = |1,1,v=0> das linke Ion mit einem π-Pulses auf dem blauen Seitenband (R+ 2,–y(π)) beleuchtet, so wird der Grundzustand Ψ0 = |1,1,v=0> in den Zustand |0,1,v=1> überführt. Es wird also simultan das Ion 2 in dem angeregten Zustand |0> präpariert und die gemeinsame Grundschwingung angeregt. Wird ausgehend vom Grundzustand Ψ0 = |1,1,v=0> das rechte Ion mit einem π-Pulses auf der Trägerfrequenz (R1,–y(π)) beleuchtet, so wird der Grundzustand Ψ0 = |1,1v=0> in den Zustand |1,0,v=0> überführt. Nun wird nur das Ion 1 in dem angeregten Zustand |0> präpariert.This maximum entangled state is also discussed in [17] and the preparation procedure is explicitly stated. In order to be able to describe the preparation steps, it is necessary to introduce a further quantum number v, which describes the common fundamental vibration of the ions located in the ion trap. This fundamental vibration, in which all ions oscillate in common mode ("the distance between the ions remains constant") at the frequency f + along the x-axis of the ion trap, can be excited by passing any ion by means of the manipulating laser at the frequency ( f 01 + f + ). The frequency (f 01 + f + ) is also called the blue sideband of the carrier frequency f 01 which resonantly excites the transition from | 1> to | 0>. v = 0 then means that the common fundamental is not excited. v = 1 means that the common fundamental is excited. The ground state then results in Ψ 0 = | 1.1, v = 0>. Both ions are in the ground state and the common fundamental is not excited. The left ion in the ion trap is referred to as ion 2 and the right as ion 1. If, for example, starting from the ground state Ψ 0 = | 1,1, v = 0>, the left ion is illuminated with a π-pulse on the blue sideband (R + 2, -y (π)), then the ground state Ψ 0 = | 1,1, v = 0> transferred to the state | 0,1, v = 1>. Thus, the ion 2 is simultaneously prepared in the excited state | 0> and the common fundamental excited. If, starting from the ground state Ψ 0 = | 1.1, v = 0>, the right ion is illuminated with a π-pulse on the carrier frequency (R 1, -y (π)), the ground state Ψ 0 = | 1.1v = 0> transferred to the state | 1,0, v = 0>. Now only the ion 1 is prepared in the excited state | 0>.

Der maximal verschränkte Bell-Zustand Ψ 21 kann in drei Schritten ausgehend vom Grundzustand Ψ0 = |1,1,v=0> präpariert werden [17]:

  • 1.) Schritt: Das rechte Ion wird mit einem resonanten π-Puls (R1,–y(π)) auf der Trägerfrequenz beleuchtet. Dadurch wird der Grundzustand Ψ0 = |1,1v=0> in den Zustand |1,0,v=0> überführt.
  • 2.) Schritt: Das linke Ion wird mit einem π/2-Puls (R+ 2,–y(π/2)) auf dem blauen Seitenband beleuchtet. Dadurch wird der Zustand |1,0,v=0> in den Zustand 1/21/2(|1,0,v=0> + |0,0,v=1>) überführt.
  • 3.) Schritt: Das rechte Ion wird mit einem π-Puls (R+ 1,–y(π)) auf dem blauen Seitenband beleuchtet. Dadurch wird der Zustand 1/21/2(|1,0,v=0> + |0,0,v=1>) in den Zustand 1/21/2(|1,0,v=0> – |0,1,v=0>) überführt. Dieses ist der gewünschte Bellzustand Ψ 21.
The maximum entangled Bell state Ψ - 21 can be prepared in three steps starting from the ground state Ψ 0 = | 1.1, v = 0> [17]:
  • 1.) Step: The right ion is illuminated with a resonant π-pulse (R 1, -y (π)) at the carrier frequency. This converts the ground state Ψ 0 = | 1,1v = 0> into the state | 1,0, v = 0>.
  • 2.) Step: The left ion is illuminated with a π / 2 pulse (R + 2, -y (π / 2)) on the blue sideband. This converts the state | 1,0, v = 0> to the state 1/2 1/2 (| 1,0, v = 0> + | 0,0, v = 1>).
  • 3.) Step: The right ion is illuminated with a π-pulse (R + 1, -y (π)) on the blue sideband. This will turn 1/2 1/2 (| 1.0, v = 0> + | 0.0, v = 1>) into 1/2 1/2 (| 1.0, v = 0> - | 0,1, v = 0>). This is the desired bell state Ψ - 21 .

Wie kann nun der Bell-Zustand Ψ 21 interpretiert werden? Hierzu ist es aufschlussreich die einzelnen Präparationsschritte genauer zu betrachten.How can the bell state Ψ - 21 be interpreted? It is instructive to take a closer look at the individual preparation steps.

Der Ausgangszustand für das Präparationsverfahren des Bell-Zustands Ψ 21 ist der Grundzustand Ψ0 = |1,1,v=0>. Im Grundzustand ist in dem System keine Energie gespeichert, da beide Ionen im Grundzustand vorliegen und die gemeinsame Grundschwingung der Ionen nicht angeregt ist. Im ersten Präparationsschritt wird das rechte Ion mit einem resonanten π-Puls (R1,–y)(π)) auf der Trägerfrequenz beleuchtet. Hierdurch wird das rechte Ion im angeregten Zustand |0> präpariert. Man weiß also mit Sicherheit, dass das rechte Ion die Energie hf01 gespeichert hat. Im zweiten Präparationsschritt wird das linke Ion mit einem π/2-Puls (R+ 2,–y (π/2)) auf dem blauen Seitenband beleuchtet. Das linke Ion wird hierdurch in einen Überlagerungszustand präpariert. Dieser repräsentiert nach (IN3) die Information, dass es zwei ununterscheidbare Möglichkeiten gibt: 1.) „Ion hat die Energie hf01 gespeichert” oder 2.) „Ion hat keine Energie gespeichert”. Da das System von dem π/2-Puls (R+ 2,–y(π/2)) auf dem blauen Seitenband aber nur Energiequanten der Energie h(f01 + f+) aufnehmen kann, kann das linke Ion nur genau dann Energie gespeichert haben, wenn auch die gemeinsame Grundschwingung angeregt wurde. Somit ergibt sich für das System die Aussage: Es gibt zwei ununterscheidbare Möglichkeiten: 1.) „Das linke Ion hat die Energie hf01 gespeichert und die in der gemeinsamen Grundschwingung gespeicherte Energie beträgt hf+” oder 2.) „Das linke Ion hat keine Energie gespeichert und es wurde die gemeinsame Grundschwingung nicht angeregt”. Im dritten Präparationsschritt wird das rechte Ion mit einem π-Puls (R+ 1,–y(π)) auf dem blauen Seitenband beleuchtet. Dieser kann das rechte Ion genau dann in den Grundzustand abregen, wenn die gemeinsame Grundschwingung angeregt ist. Wurde im zweiten Schritt keine Energie im System gespeichert, bleibt der dritte Schritt ohne Auswirkungen, da dann das rechte Ion nicht in den Grundzustand überführt werden kann. Wurde hingegen im zweiten Schritt die Energie h(f01 + f+) im System gespeichert, so ist die gemeinsame Grundschwingung angeregt und das rechte Ion kann zusammen mit der gemeinsamen Grundschwingung in den Grundzustand überführt werden. Das System gibt in diesem Fall die Energie h(f01 + f+) an den Laserpuls in Form eines Energiequants ab.The initial state for the preparation procedure of the Bell state Ψ - 21 is the ground state Ψ 0 = | 1,1, v = 0>. In the ground state no energy is stored in the system, since both ions are in the ground state and the common fundamental vibration of the ions is not excited. In the first preparation step, the right ion is illuminated with a resonant π-pulse (R 1, -y) (π)) at the carrier frequency. This prepares the right ion in the excited state | 0>. So you know with certainty that the right ion has stored the energy hf 01 . In the second preparation step, the left ion is illuminated with a π / 2 pulse (R + 2, -y (π / 2)) on the blue sideband. The left ion is thereby prepared in a superposition state. This represents (IN3) the information that there are two indistinguishable possibilities: 1.) "Ion has stored the energy hf 01 " or 2.) "Ion has no energy stored". However, since the system can only record energy quanta of the energy h (f 01 + f + ) from the π / 2 pulse (R + 2, -y (π / 2)) on the blue sideband, the left ion can only then Stored energy, even if the common fundamental vibration was stimulated. Thus, for the system the statement is: There are two indistinguishable possibilities: 1.) "The left ion has the energy hf 01 stored and the energy stored in the common fundamental is hf + " or 2.) "The left ion has none Energy stored and it was the common fundamental vibration not excited. In the third preparation step, the right ion is illuminated with a π-pulse (R + 1, -y (π)) on the blue sideband. This can de-excite the right ion into the ground state if and only if the common fundamental is excited. If no energy was stored in the system in the second step, the third step has no effect, because then the right ion can not be converted to the ground state. If, on the other hand, the energy h (f 01 + f + ) was stored in the system in the second step, the common fundamental is excited and the right ion can be converted into the ground state together with the common fundamental. In this case, the system delivers the energy h (f 01 + f + ) to the laser pulse in the form of an energy quantum.

Für den Bell-Zustand Ψ 21 ergibt sich daher folgende Interpretation (IN4):
IN4): Der Bell-Zustand Ψ 21 repräsentiert die Information, dass es zwei prinzipiell ununterscheidbare Möglichkeiten gibt: 1.): „Ion 1 hat die Energie hf01 gespeichert und Ion 2 hat keine Energie gespeichert” oder 2.): „Ion 1 hat keine Energie gespeichert und Ion 2 hat die Energie hf01 gespeichert”.
The following interpretation (IN4) results for the Bell state Ψ - 21 :
IN4): The Bell state Ψ - 21 represents the information that there are two basically indistinguishable possibilities: 1.): "Ion 1 has stored the energy hf 01 and Ion 2 has no energy stored" or 2.): "Ion 1 has no energy stored and ion 2 has stored the power hf 01 ".

Man weiß also für den Bell-Zustand Ψ 21 mit Sicherheit, dass das System die Energie hf01 gespeichert hat. Aber die Frage in welchem Ion die Energie hf01 gespeichert ist, ist prinzipiell nicht zu beantworten. Man kann hierfür nur eine Wahrscheinlichkeit angeben. In 50% der Fälle ist die Energie hf01 im Ion 1 gespeichert ist und in 50% der Fälle ist die Energie hf01 in Ion 2 gespeichert. Es ist unmittelbar klar, dass auf diese Weise jeder beliebige verschränkte Zustand interpretiert werden kann. Für den Bell-Zustand Ψ 21 = 1/21/2(|0,0> – |1,1>) (10) ergibt sich dann beispielsweise die Interpretation: Der Zustand φ.21 repräsentiert die Information, dass es zwei prinzipiell ununterscheidbare Möglichkeiten gibt: 1.): „Ion 1 hat die Energie hf01 gespeichert und Ion 2 hat die Energie hf01 gespeichert” oder 2.): „Ion 1 hat keine Energie gespeichert und Ion 2 hat keine Energie gespeichert”. Beide Möglichkeiten liegen mit der gleichen Wahrscheinlichkeit von 50% vor.For the Bell state Ψ - 21, one knows with certainty that the system has stored the energy hf 01 . But the question in which ion the energy hf 01 is stored can not be answered in principle. You can only give one probability for this. In 50% of the cases the energy hf 01 is stored in the ion 1 and in 50% of the cases the energy hf 01 is stored in ion 2. It is immediately clear that in this way any arbitrary entangled state can be interpreted. For the Bell condition Ψ - 21 = 1/2 1/2 (| 0,0> - | 1,1>) (10) For example, the result is the interpretation: The state φ. 21 represents the information that there are two fundamentally indistinguishable possibilities: 1.): "Ion 1 has stored the energy hf 01 and ion 2 has stored the energy hf 01 " or 2.): "Ion 1 has no energy stored and ion 2 has no energy stored ". Both possibilities exist with the same probability of 50%.

Man kann auf diese Art und Weise jeden beliebigen verschränkten Zustand zwischen zwei oder mehr Ionen präparieren. Der wesentliche Schritt für die Präparation eines verschränkten Zustands ist immer einzelne Ionen in einen geeigneten Überlagerungszustand mittels eines entsprechend gewählten Pulses auf dem blauen Seitenband zu präparieren. Da das System von dem Laserpuls auf dem blauen Seitenband aber nur Energiequanten der Energie h(f01 + f+) aufnehmen kann, kann das jeweilige Ion nur genau dann Energie gespeichert haben, wenn auch die gemeinsame Grundschwingung angeregt wurde. Damit wird das Nichtwissen ob das in dem Überlagerungszustand präparierte Ion Energie gespeichert hat oder nicht auch auf den Freiheitsgrad der gemeinsamen Schwingung des Systems entlang der x-Achse ausgedehnt. Beleuchtet man nun beispielsweise irgendein anderes Ion von dem man zuvor noch mit Sicherheit wusste, dass dieses die Energie hf01 gespeichert hat, mit einem π-Puls (R+ 1,–y(π)) auf dem blauen Seitenband (im oben beschriebenen Präparationsprozess des Bell-Zustands Ψ war dieses der 3.) Schritt), so verliert man mit diesem Präparationsschritt auch die Information über die in diesem Ion gespeicherte Energie. Auf diese Weise geht Schritt für Schritt die Information über die in den einzelnen Ionen gespeicherte Energie verloren und man erhält am Ende den gewünschten verschränkten Zustand.One can thus prepare any entangled state between two or more ions. The essential step for the preparation of an entangled state is always to prepare individual ions in a suitable superposition state by means of an appropriately selected pulse on the blue sideband. However, since the system can only record energy quanta of the energy h (f 01 + f + ) from the laser pulse on the blue sideband, the respective ion can only have stored energy if and only if the common fundamental has been excited. Thus, ignorance of whether the ion prepared in the superposition state has stored energy or not is also extended to the degree of freedom of the system's common vibration along the x-axis. Illuminating now For example, any other ion that was previously known to have stored the energy hf 01 with a π-pulse (R + 1, -y (π)) on the blue sideband (in the preparation process described above). State Ψ - if this was the 3rd step), then with this preparation step one also loses information about the energy stored in this ion. In this way, the information about the stored energy in the individual ions is lost step by step and you get in the end the desired entangled state.

Wie die hier explizit erläuterten Beispiele für den Präparationsprozess der Zustände Ψ7 und Ψ 21 zeigen, kann man den oben vorgeschlagenen Interpretationsansatz ganz allgemein auch auf diese Modellsysteme anwenden. Die hierzu erforderliche unverwechselbare Eigenschaft dieser Quantensysteme ist durch die in den einzelnen Ionen gespeicherte Energie gegeben. Dem Zustand Ψ7 können somit die beiden möglichen energetischen Repräsentationen 1.) „Das Ion hat die Energie hf01 gespeichert” oder 2.) „Das Ion hat keine Energie gespeichert” und dem Zustand Ψ 21 können die beiden möglichen energetischen Repräsentationen 1.) „Ion 1 hat die Energie hf01 gespeichert und Ion 2 hat keine Energie gespeichert” oder 2.): „Ion 1 hat keine Energie gespeichert und Ion 2 hat die Energie hf01 gespeichert” zugeordnet werden. Den Zustände |0> und |1> wird dann die energetische Repräsentation „Das Ion hat die Energie hf01 gespeichert” bzw. „Das Ion hat keine Energie gespeichert” zugeordnet. Mit welcher Wahrscheinlichkeit die jeweiligen energetischen Repräsentationen vorliegen, ist über das Betragsquadrat der diesen zugeordneten Wahrscheinlichkeitsamplituden festgelegt.As the examples explicitly explained here for the preparation process of the states Ψ 7 and Ψ - 21 show, one can generally apply the interpretation approach suggested above to these model systems as well. The required characteristic of these quantum systems is given by the energy stored in the individual ions. The two possible energetic representations can therefore be assigned to state Ψ 7: 1. "The ion has stored the energy hf 01 " or 2.) "The ion has no energy stored" and the state Ψ - 21 can be used for the two possible energetic representations 1. ) "Ion 1 has stored the power hf 01 and ion 2 has no power stored" or 2.): "Ion 1 has no power stored and ion 2 has been assigned the power hf 01 stored". The states | 0> and | 1> are then assigned the energetic representation "The ion has stored the energy hf 01 " or "The ion has stored no energy". The probability with which the respective energetic representations are present is determined by the absolute value squares of the probability amplitudes assigned to them.

An dieser Stelle möchte ich kurz auf das bereits oben angesprochene Messproblem eingehen. Für alle bisher betrachteten Quantensysteme kann man das Messproblem als eine unmittelbare, logische Folge des Superpositionsprinzips begreifen. Denn: Sind bei einer Messung mehrere Messergebnisse möglich, so werden dem betrachteten Quantensystem mittels des Superpositionsprinzips mehrere energetische Repräsentationen zugeordnet. Die bei einer Messung an einem Quantensystem zugängliche Information ist dann durch die tatsächlich realisierte energetische Repräsentation gegeben. Als Ergebnis einer Messung erhält man somit immer nur Informationen darüber, welche energetische Repräsentation tatsächlich realisiert wurde. Da es aufgrund des Superpositionsprinzips aber prinzipiell nicht möglich ist, vorherzusagen, welche energetische Repräsentation realisiert wurde, können natürlich auch einzelne Messergebnisse nicht vorhergesagt werden.At this point I would like to briefly comment on the measuring problem already mentioned above. For all previously considered quantum systems, the measurement problem can be understood as an immediate, logical consequence of the superposition principle. Because: If several measurement results are possible during a measurement, then the quantum system under consideration is assigned several energy representations by means of the superposition principle. The information obtainable in a measurement on a quantum system is then given by the actually realized energetic representation. As a result of a measurement, one always only receives information about which energetic representation has actually been realized. Since it is not possible in principle to predict which energetic representation has been realized due to the superposition principle, individual measurement results can not be predicted.

Man kann diesen Sachverhalt auch wie folgt auffassen: Um beispielsweise ein Ion definiert in einen bestimmten Überlagerungszustand präparieren zu können, muss der Präparationsprozess so gestaltet sein, dass es prinzipiell unmöglich ist vorherzusagen, ob ein konkretes Ion Energie mit dem Laserstrahl des Manipulationslasers ausgetauscht hat oder nicht. Bei den hier beschriebenen Experimenten werden die Ionen mit einer Intensität von etwa 500 W/cm2 beleuchtet. Die Intensität ist damit so hoch, dass es prinzipiell nicht möglich ist, zu entscheiden, ob das Ion Energie mit dem Laserstrahl des Manipulationslasers ausgetauscht hat oder nicht. Damit ist es aber auch nicht möglich, vorherzusagen, ob ein einzelnes Ion die Energie hf01 gespeichert hat oder nicht. Da die möglichen Messergebnisse „Ion fluoresziert nicht” oder „Ion fluoresziert” aber dadurch festgelegt werden, ob das Ion die Energie hf01 gespeichert hat bzw. keine Energie gespeichert hat, können einzelne Messergebnisse folglich prinzipiell nicht vorhergesagt werden. Den tieferen Grund für die Tatsache, dass einzelne Messergebnisse nicht einmal prinzipiell vorhergesagt werden können, könnte man somit auch darin sehen, dass die in den einzelnen Ionen gespeicherte Energie quantisiert ist. Denn erst hierdurch wird es im Rahmen des Superpositionsprinzips möglich, die für dessen Anwendung erforderliche unverwechselbare Eigenschaft des Quantensystems der, in dem jeweiligen Ion, gespeicherten Energie eindeutig zuzuordnen.This fact can also be understood as follows: For example, in order to be able to prepare an ion in a defined superposition state, the preparation process must be designed in such a way that it is fundamentally impossible to predict whether a specific ion has exchanged energy with the laser beam of the manipulation laser or not , In the experiments described here, the ions are illuminated at an intensity of about 500 W / cm 2 . The intensity is so high that it is not possible in principle to decide whether the ion has exchanged energy with the laser beam of the manipulation laser or not. But it is also not possible to predict whether a single ion has stored the energy hf 01 or not. Since the possible measurement results "Ion does not fluoresce" or "Ion fluoresces" but are determined by whether the ion has stored the energy hf 01 or has stored no energy, therefore, individual measurement results can not be predicted in principle. The deeper reason for the fact that individual measurement results can not even be predicted in principle could thus also be seen in the fact that the energy stored in the individual ions is quantized. Only then does it become possible under the superposition principle to unambiguously assign the unique property of the quantum system required for its application to the energy stored in the respective ion.

Wie können nun aber die, über das mathematische Objekt Zustand beschriebenen Eigenschaften eines Quantensystems physikalisch interpretiert werden? Jeder Zustand kann als ein Element eines Vektorraums aufgefasst werden. Beispielsweise ist der Zustand Ψ 21 dann ein Element des Vektorraums H4 = H2 2 × H1 2. Die oben verwendete Basis (B1) ist durch die Basisvektoren |0,0>, |0,1>, |1,0>, |1,1> (B1) gegeben. Nun kann man in dem Vektorraum H4 aber auch eine andere Basis wählen. Beispielsweise die Basis (B2) die durch die Basisvektoren, Φ+ 21 = 1/21/2(|0,0> + |1,1>) Ψ+ 21 = 1/21/2(|1,0> + |0,1>) Φ 21 = 1/21/2(|0,0> – |1,1>) Ψ 21 = 1/21/2(|1,0> – |0,1>) (B2) dargestellt in der Basis (B1), gegeben ist. Allerdings zeichnet sich die Basis (B1) dadurch aus, dass diese die einzige physikalisch unmittelbar zugängliche Basis ist. Denn: Die bei einer Messung zugängliche Information ist durch die in den einzelnen Ionen gespeicherten Energie gegeben. Sobald man aber weiß, ob die einzelnen Ionen Energie gespeichert haben oder keine Energie gespeichert haben, müssen diese nach der Messung in den jeweiligen energetischen Eigenzuständen |0> oder |1> vorliegen. Dieser Sachverhalt wird auch als Projektionspostulat [1] bezeichnet. Man spricht dann auch von einem Kollaps des quantenphysikalischen Zustands. Für dieses aus zwei Ionen bestehende Quantensystem werden dann aber alle möglichen Messergebnisse durch die vier Basisvektoren der Basis (B1) beschrieben. Es ist somit prinzipiell nicht möglich, als Ergebnis einer Messung beispielsweise die Information zu erhalten „Das Quantensystem ist in dem Zustand Ψ 21”. Denn hierzu müsste das Quantensystem dann ja auch nach der Messung im Zustand Ψ 21 vorliegen. Was aber offensichtlich nicht möglich ist. Messtechnisch unmittelbar zugängliche Basissysteme möchte ich wie in der Literatur [1] üblich im Folgenden als Rechenbasis bezeichnen.But how can the properties of a quantum system described by the mathematical object state be physically interpreted? Each state can be considered as an element of a vector space. For example, the state Ψ - 21 is then an element of the vector space H 4 = H 2 2 × H 1 2 . The base (B1) used above is by the basis vectors | 0,0>, | 0,1>, | 1,0>, | 1,1> (B1) given. Now you can choose in the vector space H 4 but also a different basis. For example, the basis (B2) given by the basis vectors, Φ + 21 = 1/2 1/2 (| 0,0> + | 1,1>) Ψ + 21 = 1/2 1/2 (| 1,0> + | 0,1>) Φ - 21 = 1/2 1/2 (| 0,0> - | 1,1>) Ψ - 21 = 1/2 1/2 (| 1,0> - | 0,1>) (B2) represented in the base (B1). However, the basis (B1) is characterized by the fact that this is the only physically directly accessible basis. Because: The information accessible during a measurement is given by the energy stored in the individual ions. However, as soon as one knows whether the individual ions have stored energy or have stored no energy, they must be present in the respective energetic eigenstates | 0> or | 1> after the measurement. This fact is also called projection postulate [1]. One then speaks of a collapse of the quantum physical state. For this quantum system consisting of two ions, however, all possible measurement results are described by the four basis vectors of the base (B1). It is therefore fundamentally not possible, for example, to obtain the information as the result of a measurement "The quantum system is in the state Ψ - 21 ". For this, the quantum system would have to be in the state Ψ - 21 after the measurement. Which is obviously not possible. As in the literature [1], I would like to refer to basic systems that are directly accessible in terms of metrology in the following as calculation basis.

Wenn nun aber in H4 die einzig messtechnisch unmittelbar zugängliche Basis durch die Basis (B1) gegeben ist, welche physikalische Bedeutung kann dann den anderen möglichen Basissystemen, beispielsweise der Basis (B2) zugeordnet werden? Nun lässt sich jede Basis eines Vektorraums in jede andere Basis dieses Vektorraums durch eine eineindeutige Abbildung überführen. Wenn es möglich ist, einen Basiswechsel durch einen unitären Operator (Abbildung) zu beschreiben und es gelingt diesen durch geeignete Präparationsschritte physikalisch zu implementieren, so kann man der so zugänglichen neuen Basis ebenfalls eine physikalische Bedeutung zuordnen. Für die Basis (B2) ist dieses möglich. Die Basis (B2) kann auf die Basis (B1) mittels des unitären Operators UB2B1 = H1U12 CNOT (11) abgebildet werden. Dabei bezeichnet U12 CNOT das CNOT-Gate das auf beide Ionen (Ion 1 und Ion 2) wirkt und H1 den Hadamard Operator, der nur auf das Ion 1 wirkt [20]. Die Operatoren U12 CNOT und H1 sind dann gegeben durch

Figure 00350001
und
Figure 00350002
und der Operator UB2B1 ist dann durch
Figure 00350003
gegeben. Wie man leicht nachprüfen kann, werden dann die einzelnen Basisvektoren der Basis (B2) durch den Operator UB2B1 nach Φ+ 21 → 10,0> Φ 21→ |0,1> Ψ+ 21 → |1,0> Ψ 21 → |1,1> (15) auf die Basis (B1) abgebildet. Somit wird beispielsweise der Zustand Ψ+ 21 mittels des unitären Operators UB2B1 eineindeutig in den Zustand |1,0> überführt. Wird danach an dem Quantensystem eine Messung durchgeführt, so weiß man mit Sicherheit, dass man als Messergebnis die Information erhält „Das rechte Ion hat die Energie hf01 gespeichert und das linke Ion hat keine Energie gespeichert”. Allerdings verliert man hierbei jegliche Information über die tatsächlich realisierte energetische Repräsentation des Quantensystems im Zustand Ψ+ 21. In diesem Sinne kann man jedem der vier Bell-Zustände der Basis (B2) eineindeutig einen zu diesem „formal äquivalenten Zustand” der Rechenbasis (B1) zuordnen. Somit kann man aber auch jedem beliebigen Zustand Ψ einen bezüglich des Operators UB2B1 zu diesem formal äquivalenten Zustand Ψ' zuordnen. Der zu einem Zustand Ψ bezüglich des Operators UB2B1, der die Basis (B2) eineindeutig auf die Rechenbasis (B1) abbildet, formal äquivalente Zustand Ψ' ergibt sich dann durch Anwendung des Operators UB2B1 auf den Zustand Ψ. Das einem formal äquivalenten Zustand zugeordnete Quantensystem möchte ich im Folgenden als „formal äquivalentes Quantensystem” bezeichnen.But if in H4 the only metrologically directly accessible basis is given by the basis (B1), which physical meaning can then be assigned to the other possible basis systems, for example the basis (B2)? Now every base of a vector space can be transformed into a different one of the bases of this vector space by a one-to-one mapping. If it is possible to describe a basal change by a unitary operator (Figure) and to succeed in physically implementing it by means of suitable preparation steps, then one can also assign a physical meaning to the new base thus accessible. For the base (B2) this is possible. The basis (B2) can be based on (B1) by means of the unitary operator U B2B1 = H 1 U 12 CNOT (11) be imaged. Here, U 12 CNOT denotes the CNOT gate acting on both ions (Ion 1 and Ion 2) and H 1 the Hadamard operator acting only on Ion 1 [20]. The operators U 12 CNOT and H 1 are then given by
Figure 00350001
and
Figure 00350002
and the operator U B2B1 is then through
Figure 00350003
given. As can easily be verified, the individual basis vectors of the base (B2) then become the operator U B2B1 Φ + 21 → 10.0> Φ - 21 → | 0.1> Ψ + 21 → | 1.0> Ψ - 21 → | 1.1> (15) on the basis (B1). Thus, for example, the state Ψ + 21 is unambiguously converted to the state | 1.0> by means of the unitary operator U B2B1 . If a measurement is then carried out on the quantum system, one knows with certainty that the result obtained is the information "The right ion has stored the energy hf 01 and the left ion has no energy stored". However, one loses any information about the actually realized energetic representation of the quantum system in the state Ψ + 21 . In this sense, one of the four Bell states of the base (B2) can be uniquely assigned one to this "formally equivalent state" of the calculation base (B1). Thus, however, one can associate any state Ψ with respect to the operator U B2B1 to this formally equivalent state Ψ '. The formally equivalent state Ψ 'for a state Ψ with respect to the operator U B2B1 , which uniquely represents the base (B2) on the computing base (B1), then results from the application of the operator U B2B1 to the state Ψ. In the following, I would like to call the quantum system assigned to a formally equivalent state a "formally equivalent quantum system".

Über die zu einem Quantensystem formal äquivalenten Quantensysteme ist es somit möglich Informationen über den Zustand des Quantensystem zu erhalten. Hiervon wird beispielsweise bei der bereits oben angesprochenen Zustandstomographie (Zustandsanalyse) in [17] Gebrauch gemacht. Besonders anschaulich wird die Zustandstomographie wenn man nur ein einzelnes Ion in der Ionenfalle betrachtet, da dann der Zustand durch den Blochvektor beschrieben werden kann (siehe oben). Für die in [17] beschriebene Zustandsanalyse werden die benötigten formal äquivalenten Quantensysteme, durch Rotationen des Blochvektors um jeweils 90°, mit einzelnen Normalenvektoren der Blochkugel (–ex und ey) als Drehachsen, realisiert. Im Rahmen der Zustandsanalyse kann dem betrachteten Quantensystem, über dessen Zustand vor der Zustandsanalyse nichts bekannt war, ausgehend von den unmittelbar über die Rechenbasis zugänglichen energetischen Repräsentationen des Quantensystems, dann mittels der formal äquivalenten Quantensysteme, Schritt für Schritt ein Zustand zugeordnet werden. Hierin ist auch die physikalische Bedeutung der unterschiedlichen Basissysteme zu sehen. Eine Zustandsanalyse hinsichtlich der durch die Bell-Zustände gebildeten Basis (B2) wird in der Literatur [1] als Bell-Zustandsanalyse bezeichnet.Using the quantum systems formally equivalent to a quantum system, it is thus possible to obtain information about the state of the quantum system. This is used, for example, in the state tomography (state analysis) already mentioned above in [17]. The state tomography is particularly clear if one considers only a single ion in the ion trap, since then the state can be described by the Bloch vector (see above). For the state analysis described in [17] the required formally equivalent quantum systems are realized by rotations of the Bloch vector by 90 °, with individual normal vectors of the Bloch sphere (-e x and e y ) as axes of rotation. As part of the state analysis, the quantum system under consideration, of which the state was unknown prior to the state analysis, can be assigned a state step by step, starting from the energetic representations of the quantum system that are directly accessible via the computing base, then using the formally equivalent quantum systems. Herein also the physical meaning of the different basic systems is to be seen. A state analysis of the basis (B2) formed by the Bell states is referred to in the literature [1] as the Bell state analysis.

Allerdings stellt sich die Frage, ob die, über die formal äquivalenten Zustände einem Quantensystem zugeordneten Eigenschaften immer auch als physikalisch realisierte Eigenschaften dieses Quantensystems verstanden werden können? Ich meine damit folgendes: Um davon sprechen zu können, dass einem physikalischen System eine bestimmte physikalische Eigenschaft zugeschrieben werden kann, muss diese auf irgend eine Art und Weise auch messtechnisch zugänglich sein. Für die hier betrachteten Quantensysteme sind die einzigen messtechnisch zugänglichen Informationen über die jeweils realisierten energetischen Repräsentationen gegeben. Somit kann aber auch nur genau dann einem Quantensystem eine bestimmte Eigenschaft im Sinne einer physikalischen Eigenschaft zugeordnet werden, wenn dem Quantensystem im Hinblick auf das Superpositionsprinzip die entsprechenden energetischen Repräsentationen zugeordnet werden können. In diesem Sinn kann man dann davon sprechen, dass eine dem Zustand zugeordnete Eigenschaft auch als physikalisch realisierte Eigenschaft dem Quantensystem zugeordnet werden kann.However, the question arises whether the properties assigned to a quantum system via the formally equivalent states can always be understood as physically realized properties of this quantum system. What I mean by this is that in order to be able to say that a physical property can be attributed to a certain physical property, it must in some way also be accessible by measurement. For the quantum systems considered here, the only metrologically accessible information about the respectively realized energetic representations is given. However, only then can a quantum system be assigned a specific property in the sense of a physical property if the quantum system can be assigned the corresponding energetic representations with regard to the superposition principle. In this sense, one can then speak of the fact that a property assigned to the state can also be assigned to the quantum system as a physically realized property.

Wird ein Quantensystem beispielsweise in den Bell-Zustand Ψ+ 21 präpariert, so kann dieser mittels des Operators UB2B1 in den zu diesem, bezüglich des Operators UB2B1, formal äquivalenten Zustand |1,0> überführt werden. Führt man dann an dem so präparierten formal äquivalenten Quantensystem eine Messung durch, so erhält man mit Sicherheit als Messergebnis „Das rechte Ion hat die Energie hf01 gespeichert und das linke Ion hat keine Energie gespeichert”. Diese Information ermöglicht es nun aber dem Quantensystem, bis auf eine nicht beobachtbare Phase, die Eigenschaft zuzuordnen „Das Quantensystem liegt im Zustand Ψ+ 21 vor”. Diese Eigenschaft kann dann als physikalisch realisierte Eigenschaft verstanden werden, da die für das Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen im Sinne des Superpositionsprinzips dieser Eigenschaft entsprechen. Dasselbe gilt für die anderen Bell-Zustände der Basis (B2). Im Allgemeinen ist es jedoch nicht möglich einem Quantensystem, die über das, bezüglich des Operators UB2B1, formal äquivalente Quantensystem zugänglichen Eigenschaften, als physikalisch realisierte Eigenschaften zuzuordnen.If a quantum system is prepared, for example, in the Bell state Ψ + 21 , then this can be converted by means of the operator U B2B1 into the state | 1.0> which is formally equivalent with respect to the operator U B2B1 . If one then carries out a measurement on the formal equivalent quantum system prepared in this way, the result obtained is certainly "The right ion has stored the energy hf 01 and the left ion has stored no energy". However, this information now allows the quantum system, except for an unobservable phase, to assign the property "The quantum system is in state Ψ + 21 ". This property can then be understood as a physically realized property, since the energetic representations possible for the quantum system in the sense of the superposition principle correspond to this property. The same applies to the other Bell states of the base (B2). In general, however, it is not possible to assign a quantum system, which is accessible via the properties that are formally equivalent with respect to the operator U B2B1 , as physically implemented properties.

Ich möchte diesen Sachverhalt anhand eines einfachen Beispiels verdeutlichen. Präpariert man ein Quantensystem in den Zustand |1,1>, so ist die einzig mögliche energetische Repräsentation gegeben durch „Beide Ionen haben keine Energie gespeichert”. Der Zustand |1,1> lässt sich bezüglich der Basis (B2) schreiben als |1,1> = 1/(2)1/2+ 21 – Φ 21). (16) I would like to clarify this situation with a simple example. If one sets up a quantum system in the state | 1,1>, then the only possible energetic representation is given by "both ions have no energy stored". The state | 1,1> can be written with respect to the base (B2) as | 1.1> = 1 / (2) 1/2+ 21 - Φ - 21 ). (16)

Der zu |1,1> bezüglich des Operators UB2B1 formal äquivalente Zustand ist dann gegeben durch Ψ17 = UB2B1(|1,1>) = 1/(2)1/2(|0,0> – |0,1>) (17) The conditionally equivalent to | 1,1> with respect to the operator U B2B1 is then given by Ψ 17 = U B2B1 (| 1,1>) = 1 / (2) 1/2 (| 0,0> - | 0,1>) (17)

Führt man nun an dem formal äquivalenten Quantensystem im Zustand Ψ17 eine Messung durch, so erhält man in 50% der Fälle das Messergebnis „Ion 1 und Ion 2 fluoreszieren” und in 50% der Fälle das Messergebnis „Ion 1 fluoresziert nicht und Ion 2 fluoresziert”. Dem Quantensystem kann somit zwar die Eigenschaft zugeordnet werden „Der Zustand kann als eine Linearkombination der Basisvektoren Φ+ 21 und Φ 21 geschrieben werden und das Betragsquadrat der jeweiligen Wahrscheinlichkeitsamplituden ist gleich 1/2”. Allerdings kann man diese, in Gl. (16) unmittelbar erkennbare, Eigenschaft des Quantensystems im Zustand |1,1> nicht im Sinne des Superpositionsprinzips als physikalisch realisierte Eigenschaft betrachten. Hierzu müsste das Quantensystem die den Basisvektoren Φ+ 21 und Φ 21 zugeordneten energetischen Repräsentationen besitzen. Was aber nicht der Fall ist. Die in diesem Sinne physikalisch nicht realisierten Eigenschaften eines Quantensystems möchte ich im Folgenden als „inhärente Eigenschaften” eines Quantensystems bezeichnen.If a measurement is carried out on the formally equivalent quantum system in state Ψ 17 , then in 50% of the cases the measurement result "ion 1 and ion 2 fluoresce" and in 50% of the cases the measurement result "ion 1 does not fluoresce and ion 2 fluoresces. " Although the property can thus be assigned to the quantum system "The state can be written as a linear combination of the basis vectors Φ + 21 and Φ - 21 and the magnitude square of the respective probability amplitudes is equal to 1/2". However, one can do this, in Eq. (16) immediately recognizable property of the quantum system in the state | 1,1> does not regard it as a physically realized property in the sense of the superposition principle. For this, the quantum system would have to have the energetic representations associated with the basis vectors Φ + 21 and Φ - 21 . Which is not the case. In the following, I would like to call the properties of a quantum system that are not physically realized in this sense "inherent properties" of a quantum system.

Die Zustandsbeschreibung eines Quantensystems im Zustand |1,1> bezüglich der Bell-Basis muss somit als inhärente Eigenschaft des Quantensystems aufgefasst werden. Die eines Quantensystem im Zustand Ψ+ 21 jedoch als physikalisch realisierte Eigenschaft. Allerdings darf man hieraus nicht schließen, dass nur die maximal verschränkten Bell-Zustände keine inhärenten Eigenschaften bezüglich der Zustandsbeschreibung in der Bell-Basis besitzen. Dieses möchte ich anhand eines Beispiels verdeutlichen:
Der Produktzustand Ψ18 = 1/21/2(|1>2 + |0>2)1/21/2(|1>1 + |0>1) lässt sich bezüglich der Basis (B2) schreiben als Ψ18 = 1/21/2(|1>2 + |0>2)1/21/2(|1>1 + |0>1) = 1/41/2(|1,1> + |0,0> + |1,0> + |0,1>) = 1/21/2+ 21 + Ψ+ 21). (18)
The state description of a quantum system in the state | 1,1> with respect to the Bell basis must therefore be regarded as an inherent property of the quantum system. That of a quantum system in state Ψ + 21, however, as a physically realized property. However, one can not conclude from this that only the maximum entangled Bell states have no inherent properties regarding the description of the state in the Bell basis. I would like to clarify this with an example:
The product state Ψ 18 = 1/2 1/2 (| 1> 2 + | 0> 2 ) 1/2 1/2 (| 1> 1 + | 0> 1 ) can be written with respect to the base (B2) as Ψ 18 = 1/2 1/2 (| 1> 2 + | 0> 2 ) 1/2 1/2 (| 1> 1 + | 0> 1 ) = 1/4 1/2 (| 1.1> + | 0,0> + | 1,0> + | 0,1>) = 1/2 1/2+ 21 + Ψ + 21 ). (18)

Der zu Ψ18 bezüglich des Operators UB2B1 formal äquivalente Zustand ist dann gegeben durch Ψ19 = UB2B118) = 1/21/2(|0,0> + |1,0>). (19) The state formally equivalent to Ψ 18 with respect to the operator U B2B1 is then given by Ψ 19 = U B2B118 ) = 1/2 1/2 (| 0,0> + | 1,0>). (19)

Führt man nun an dem formal äquivalenten Quantensystem im Zustand Ψ19 eine Messung durch, so erhält man in 50% der Fälle das Messergebnis „Ion 1 und Ion 2 fluoreszieren nicht” und in 50% der Fälle das Messergebnis „Ion 1 fluoresziert nicht und Ion 2 fluoresziert”. Über den zu dem Quantensystem formal äquivalenten Zustand Ψ19 kann dem Quantensystem somit die Eigenschaft zugeordnet werden „Der Zustand kann als eine Linearkombination der Basisvektoren Φ+ 21 und Ψ+ 21 geschrieben werden und das Betragsquadrat der Wahrscheinlichkeitsamplituden ist gleich 1/2”. Diese bereits in Gl. (18) erkennbare Eigenschaft kann aber nicht als inhärente Eigenschaft des Quantensystems im Zustand Ψ18 aufgefasst werden, da das Quantensystem die, den Basisvektoren Φ+ 21 und Ψ+ 21 zugeordneten, energetischen Repräsentationen besitzt. Das Quantensystem besitzt somit bezüglich der Zustandsbeschreibung in der Bell-Basis keine inhärenten Eigenschaften, sondern ausschließlich physikalisch realisierte Eigenschaften. Dieses ist ein bemerkenswertes Ergebnis, wenn man bedenkt, dass der Zustand Ψ18 ein Produktzustand ist und die beiden Systeme daher in der Literatur als physikalisch isolierte Systeme angesehen werden (siehe hierzu auch die Bemerkungen weiter unten)! If a measurement is carried out on the formally equivalent quantum system in state Ψ 19 , then in 50% of the cases the measurement result "ion 1 and ion 2 do not fluoresce" and in 50% of the cases the measurement result "ion 1 does not fluoresce and ion 2 fluoresces ". The state can be written as a linear combination of the basis vectors Φ + 21 and Ψ + 21 and the absolute square of the probability amplitudes is equal to 1/2 "over the formally equivalent state Ψ 19 to the quantum system. These already in Eq. However, (18) a recognizable property can not be understood as an inherent property of the quantum system in state Ψ 18 , since the quantum system has the energetic representations associated with the basis vectors Φ + 21 and Ψ + 21 . The quantum system thus has no inherent properties regarding the state description in the Bell base, but only physically realized properties. This is a remarkable result, bearing in mind that state Ψ 18 is a product state and therefore the two systems are considered in the literature to be physically isolated systems (see also the remarks below)!

Dieser Zusammenhang wurde beispielsweise auch in [49] nicht erkannt. Wenn in [49] als Folge hiervon in Zusammenhang mit der Interpretation (IN5) von „mehr oder weniger stark isolierten Systemen” gesprochen wird, müsste die, im Folgenden eingeführte, korrekte Formulierung lauten „mehr oder weniger stark energetisch isolierten Systemen”. Auch wurde in [49] in Postulat (P1) dieser Zusammenhang nicht berücksichtigt. Als Folge hiervon müssen in dem in [49] in Abschnitt VI angegebenen Gedankenexperiment zwei Fälle betrachtet werden. Auch auf diese Punkte werde ich im Folgenden noch ausführlich eingehen.This connection was not recognized, for example, in [49]. If in [49] this is referred to in connection with the interpretation (IN5) of "more or less isolated systems", the correct formulation introduced below would have to be "more or less energetically isolated systems". Also, [49] in Postulate (P1) did not consider this relationship. As a consequence, two cases must be considered in the thought experiment given in [49] in Section VI. I will also discuss these points in detail below.

An diesen Beispielen wird aber auch eine ganz grundsätzliche Schwierigkeit hinsichtlich der Interpretation der Quantenphysik erkennbar. Betrachtet man Quantensysteme die durch einen Produktzustand beschrieben werden, so gibt es messtechnisch keine Indizien dafür, dass diese nicht als physikalisch isoliert und damit als unabhängige Systeme angesehen werden können. Verschränkte Systeme zeigen hingegen Eigenschaften, die für unabhängige Systeme nicht möglich sind. Als Indiz dafür, dass diese Eigenschaften nicht auf Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Systemen zurückgeführt werden können, können die in [20] und [21] beschriebenen Experimente zur Teleportation gewertet werden. Auf diese werde Ich im Folgenden noch näher eingehen. Dieses rechtfertigt dann aber die Annahme, dass verschränkte Systeme Eigenschaften besitzen, die nur noch als Eigenschaft des Gesamtsystems, jedoch nicht als Summe der Eigenschaften der Teilsysteme betrachtet werden können. Man könnte daher davon sprechen, dass verschränkte Quantensysteme „innere Eigenschaften” besitzen. In diesem Sinne besitzt dann aber auch ein Quantensystem im Zustand Ψ18 innere Eigenschaften, da das Quantensystem die, den Basisvektoren Φ+ 21 und Φ+ 21 zugeordneten energetischen Repräsentationen besitzen und diese somit als physikalisch realisierte Eigenschaft des Quantensystems angesehen werden müssen. Man könnte hier natürlich auch formal argumentieren, dass die Eigenschaften eines Zustands (Vektors) nicht durch einen Basis-Wechsel verändert werden. Dann muss man aber auch dem Zustand Ψ16, die über die Zustandsbeschreibung bezüglich der Bell-Basis zugänglichen, physikalisch nicht realisierten, inhärenten Eigenschaften, als innere Eigenschaften zuordnen. Treffen diese Überlegungen zu, so besitzen nicht nur verschränkte Quantensysteme, sondern auch Quantensysteme die durch einen Produktzustand beschrieben werden, innere Eigenschaften. Was aber bedeutet, dass jedes Quantensystem innere Eigenschaften besitzen muss.However, these examples also reveal a very fundamental difficulty with regard to the interpretation of quantum physics. Looking at quantum systems that are described by a product state, there are no metrological indications that they can not be considered as physically isolated and therefore as independent systems. In contrast, entangled systems show properties that are not possible for independent systems. As an indication that these properties can not be attributed to interactions between the systems involved, the experiments described in [20] and [21] can be considered for teleportation. I will discuss these in more detail below. This then justifies the assumption that entangled systems have properties that can only be considered as a property of the entire system, but not as the sum of the properties of the subsystems. One could therefore argue that entangled quantum systems have "inner properties". In this sense, however, a quantum system in state Ψ 18 also possesses internal properties, since the quantum system has the ones associated with the basis vectors Φ + 21 and Φ + 21 possess energetic representations and these must therefore be regarded as a physically realized property of the quantum system. Of course, one could argue formally that the properties of a state (vector) are not changed by a base change. Then, however, one must also assign to the state Ψ 16 , the properties that are accessible to the Bell base, physically unrealized, inherent properties, as internal properties. If these considerations are correct, then not only entangled quantum systems but also quantum systems described by a product state possess internal properties. What does mean, however, that every quantum system must have internal properties.

Wenn diese Überlegungen zutreffen, gibt es dann aber keine isolierten Quantensysteme. Allerdings kann man davon sprechen, dass Quantensysteme unterschiedlich stark „energetisch isoliert” sein können. Ich meine damit folgendes: Nach dem oben entwickelten Interpretationsansatz sind Informationen über ein Quantensystem nur über die, für dieses Quantensystem und die zu diesem Quantensystem formal äquivalenten Quantensysteme möglichen, energetischen Repräsentationen zugänglich. Die inneren Eigenschaften eines Quantensystems sind über die Rechenbasis jedoch immer nur indirekt zugänglich. Direkt sind diese nur über die zu dem Quantensystem formal äquivalenten Quantensysteme zugänglich. Betrachtet man die maximal verschränkten Bell-Zustände, so haben diese in der Rechenbasis genau zwei energetische Repräsentationen. Die zu diesen bezüglich des Operators UB2B1 formal äquivalenten Quantensysteme haben dann natürlich genau eine energetische Repräsentation. Diesen Sachverhalt könnte man nun dahingehend interpretieren, dass diesen Quantensystemen, bezüglich der Bell-Basis, genau eine innere Eigenschaft zugeordnet werden kann. Die Quantensysteme können somit ausschließlich die, für diese innere Eigenschaft möglichen, energetischen Repräsentationen realisieren. Da die inneren Eigenschaften eines Quantensystems als Eigenschaften des Gesamtsystems betrachtet werden können, ist es naheliegend auch die, über die energetischen Repräsentationen beschriebenen, energetischen Eigenschaften dieser Systeme als Eigenschaften des Gesamtsystems zu betrachten. Die Bell-Zustände könnte man daher in diesem Sinne als energetisch nicht isoliert bezeichnen. Betrachtet man hingegen ein Quantensystem, dass durch einen Produktzustand beschrieben werden kann, bei dem die beiden beteiligten Systeme in einem energetischen Eigenzustand vorliegen (wie beispielsweise im Falle des Zustands |1,1>), so besitzen die Zustände genau eine energetische Repräsentation. Die bezüglich des Operators UB2B1 formal äquivalenten Quantensysteme haben dann jedoch zwei energetische Repräsentationen. Dieses konnte man dann aber so interpretieren, dass dem Quantensystem zwei innere Eigenschaften zugeordnet werden müssen. Diese können jedoch nicht als physikalisch realisierte Eigenschaften aufgefasst werden, da die den inneren Eigenschaften zugeschriebenen energetischen Repräsentationen den für das Quantensystem realisierbaren nicht entsprechen. Diese Systeme könnte man daher als energetisch isoliert bezeichnen. Zu demselben Ergebnis kommt man für Produktzustände bei denen sich ein Quantensystem in einem energetischen Eigenzustand und eines in einem Überlagerungszustand der Form 1/21/2 (|0> + e|1>) befindet, wobei mit φ eine beliebige (reelle) Phase bezeichnet sei. Auch diese Systeme können dann als energetisch isoliert bezeichnet werden. Eine vollkommen andere Situation liegt beispielsweise bei Produktzuständen der Form Ψ20 = e/41/2(|0>2 + e|1>2)(|0>1 – e|1>1), = e/21/2(1/21/2(|0,0> – ei2φ|1,1>) + eΨ 21), (20) mit: e = 1 oder ei2φ = –1 und den (reellen) Phasen θ und φ,
oder dem Produktzustand Ψ18 vor. Diese haben immer vier energetische Repräsentationen. Die zu diesen bezüglich des Operators UB2B1 formal äquivalenten Quantensysteme haben, wie man leicht nachprüfen kann, immer genau zwei energetische Repräsentationen. Damit besitzen diese Quantensysteme bezüglich der Bell-Basis genau zwei innere Eigenschaften. Da die, für die Quantensysteme möglichen, energetischen Repräsentationen aber genau denen entsprechen, die den inneren Eigenschaften der Quantensysteme zugeordnet werden, müssen die inneren Eigenschaften dieser Quantensysteme als physikalisch realisierte Eigenschaften angesehen werden. Da die inneren Eigenschaften eines Quantensystems aber nicht als lokal den Teilsystemen zuschreibbare Eigenschaften, sondern nur als Eigenschaft des Gesamtsystems betrachtet werden können, müssen auch die, über die energetischen Repräsentationen beschriebenen, energetischen Eigenschaften dieser Quantensysteme als Eigenschaften des Gesamtsystems betrachtet werden. Somit können diese Quantensysteme aber nicht als energetisch isoliert angesehen werden.
If these considerations are correct, then there are no isolated quantum systems. However, one can say that quantum systems can be differentially "energetically isolated". By this I mean the following: According to the interpretation approach developed above, information about a quantum system is only accessible via the energy representations possible for this quantum system and the quantum systems that are formally equivalent to this quantum system. However, the internal properties of a quantum system are always only indirectly accessible via the computing basis. These are directly accessible only via the quantum systems that are formally equivalent to the quantum system. Looking at the maximum entangled Bell states, they have exactly two energy representations in the calculation base. Of course, the quantum systems that are formally equivalent to these with respect to the operator U B2B1 have exactly one energy representation. This situation could now be interpreted as meaning that these quantum systems, with regard to the Bell basis, can be assigned exactly one inner property. The quantum systems can thus realize only the energetic representations possible for this inner property. Since the intrinsic properties of a quantum system can be considered as properties of the entire system, it is obvious that the energetic properties of these systems described by the energetic representations should also be considered as properties of the whole system. The Bell states could therefore be described in this sense as energetically not isolated. On the other hand, if one considers a quantum system that can be described by a product state in which the two systems involved are in an energetic eigenstate (as in the case of the state | 1,1>), the states have exactly one energetic representation. However, the formally equivalent quantum systems with respect to the operator U B2B1 then have two energy representations. However, this could then be interpreted in such a way that the quantum system has to be assigned two internal properties. However, these can not be understood as physically realized properties, since the energetic representations attributed to the internal properties do not correspond to those which can be realized by the quantum system. These systems could therefore be described as energetically isolated. The same result is obtained for product states in which a quantum system is in an energetic eigenstate and one in a superposition state of the form 1/2 1/2 (| 0> + e | 1>), where with φ any (real) Phase is called. These systems can then be described as energetically isolated. A completely different situation is for example in product states of the form Ψ 20 = e / 4 1/2 (| 0> 2 + e | 1> 2 ) (| 0> 1 -e iφ | 1> 1 ), = e / 2 1/2 (1/2 1 / 2 (| 0,0> - e i2φ | 1,1>) + e Ψ - 21 ), (20) with: e = 1 or e i 2φ = -1 and the (real) phases θ and φ,
or the product condition Ψ 18 . These always have four energy representations. The quantum systems formally equivalent to these with respect to the operator U B2B1 always have exactly two energetic representations, as can easily be verified. Thus, these quantum systems have exactly two internal properties with respect to the Bell basis. However, since the energy representations possible for the quantum systems correspond exactly to those assigned to the intrinsic properties of the quantum systems, the intrinsic properties of these quantum systems must be regarded as physically realized properties. However, since the intrinsic properties of a quantum system can not be regarded as properties attributable locally to the subsystems, but only as properties of the total system, the energetic properties of these quantum systems described by the energetic representations must also be considered as properties of the total system. Thus, these quantum systems can not be considered as energetically isolated.

Diese Eigenschaft von Produktzuständen der Form Ψ20 ist von ganz grundsätzlicher Bedeutung. Wie in Abschnitt VII gezeigt wird, eröffnen Produktzustände der Form Ψ20 die Möglichkeit, den Forderungen des Spin-Statistik-Theorems (siehe hierzu beispielsweise [45]), hinsichtlich der Symmetrie-Eigenschaften von Zuständen für ununterscheidbare Quantensysteme, Zustandstransformationen zuzuordnen und diese als physikalisch realisierbare Präparationsschritte zu begreifen.This property of product states of the form Ψ 20 is of very fundamental importance. As shown in Section VII, product states of the form Ψ 20 open up the possibility of assigning state transformations to the requirements of the spin statistics theorem (see, for example, [45]) with regard to the symmetry properties of states for indistinguishable quantum systems, and these as physical realize feasible preparation steps.

Für die oben betrachteten Quantensysteme könnte man als Maß für den Grad der energetischen Isolierung der Quantensysteme einfach den Quotienten „Anzahl der möglichen energetischen Repräsentationen des Quantensystems”/„Anzahl der möglichen energetischen Repräsentationen des, die inneren Eigenschaften beschreibenden, formal äquivalenten Quantensystems” = QER einführen. Dass der Quotient QER als ein Maß für den Grad der energetischen Isolierung der oben diskutierten Zustände angesehen werden kann, sieht man daran, dass für die energetisch nicht isolierten Systeme, die maximal verschränkten Bell-Zustände, den Produktzustand Ψ18 und die Produktzustände der Form Ψ20, QER den maximal möglichen Wert QER = 2 und für die energetisch isolierten Produktzustände den kleinsten möglichen Wert QER = 1/2 annimmt. Der Quotient QER darf allerdings nur als Skizze zur Verdeutlichung der grundsätzlichen Idee für eine solche Definition angesehen werden. Eine allgemein gültige Definition muss natürlich auf beliebige Zustände anwendbar sein und darf nicht nur auf die oben beispielhaft diskutierten Fälle und die Basis (B2) beschränkt sein. Auf die Frage, wie man ganz allgemein ein Maß für den Grad der energetischen Isolierung von Quantensystem einführen kann, möchte ich hier jedoch nicht näher eingehen, da diese für die folgenden Überlegungen unerheblich ist. For the quantum systems considered above, one could simply introduce the quotient "number of possible energetic representations of the quantum system" / "number of possible energetic representations of the, quantum system describing the inner properties" = QER as a measure of the degree of energetic isolation of the quantum systems , The fact that the quotient QER can be regarded as a measure of the degree of energetic isolation of the states discussed above can be seen from the fact that for the energetically not isolated systems, the maximum entangled Bell states, the product state Ψ 18 and the product states of the form Ψ 20 , QER assumes the maximum possible value QER = 2 and for the energetically isolated product states the smallest possible value QER = 1/2. However, the QER quotient may only be regarded as a sketch to clarify the basic idea for such a definition. Of course, a universally valid definition must be applicable to arbitrary states and not limited only to the cases discussed above as examples and the basis (B2). However, I would not like to elaborate on the question of how to introduce a measure of the degree of energetic isolation of the quantum system in general, since this is irrelevant to the following considerations.

Offensichtlich muss man im Rahmen der Quantenphysik nicht nur die klassische Vorstellung aufgeben, dass Systeme genau dann als unabhängige Systeme betrachtet werden können, wenn es zwischen diesen keine Wechselwirkung gibt, sondern auch zwischen unabhängigen Systemen und isolierten Systemen unterscheiden. Ich möchte daher die folgende Interpretation vorschlagen:
IN5): Es gibt keine isolierten Quantensysteme. Die einem Quantensystem durch den jeweiligen Zustand zugeordneten Eigenschaften beschreiben lediglich die durch das verwendete Präparationsverfahren mehr oder weniger starke energetische Isolierung des Quantensystems. Das verwendete Präparationsverfahren grenzt somit lediglich die dem Quantensystem zuschreibbaren Eigenschaften ein. Die über den Zustand dem Quantensystem zugeschriebenen Eigenschaften sind real vorhanden. Allerdings können diese nicht im Sinne einer physikalischen Wechselwirkung verstanden werden. Die Wirkung dieser Eigenschaften ist auf die an dem Quantensystem und den für dieses Quantensystem möglichen formal äquivalenten Quantensystemen realisierbaren energetischen Repräsentationen beschränkt. Nur über die energetischen Repräsentationen werden diese physikalisch über energetische Wechselwirkungen zugänglich. Die energetischen Repräsentationen sind somit nicht Träger dieser Eigenschaften, sondern lediglich Vermittler dieser Eigenschaften.
Obviously, in quantum physics, not only does one have to abandon the classical notion that systems can be considered as independent systems if and only if there is no interaction between them, but also distinguish between independent systems and isolated systems. I would therefore suggest the following interpretation:
IN5): There are no isolated quantum systems. The properties assigned to a quantum system by the respective state merely describe the energetic isolation of the quantum system which is more or less strong by the preparation method used. The preparation method used thus limits only the properties attributable to the quantum system. The attributes attributed to the state via the quantum system are actually present. However, these can not be understood in the sense of a physical interaction. The effect of these properties is limited to the energetic representations that can be realized on the quantum system and the formally equivalent quantum systems possible for this quantum system. Only through energetic representations do they become physically accessible through energetic interactions. The energetic representations are thus not carriers of these properties, but merely mediators of these properties.

In diesem Sinne werden verschränkte Systeme nicht erzeugt, sondern entsprechen nur weniger stark energetisch isolierten Systemen. Bei physikalisch unabhängig präparierten Teilsystemen spiegelt sich dieser Sachverhalt in den, diesen zugeordneten inhärenten Eigenschaften wider. Der Grad der energetischen Isolierung eines Quantensystems wird allerdings nicht nur durch die verwendeten Präparationsschritte beeinflusst. Auch wenn an einem Quantensystem eine Messung durchgeführt wird, hat diese dann natürlich einen Einfluss auf den Grad der energetischen Isolierung des Quantensystems. Dieser Einfluss spiegelt sich in dem in der Quantenphysik postulierten Projektionspostulat wider. Diese Interpretation enthält aber auch schon die Kernaussage für eine die Quantenphysik auszeichnenden Idee. Man könnte diese wie folgt formulieren:
IN6): In der Natur existieren Eigenschaften die über physikalische Wechselwirkungen prinzipiell nicht zugänglich sind. Man könnte diese Eigenschaften als innere Eigenschaften von Quantensystemen bezeichnen. Die einem Quantensystem physikalisch zuschreibbaren inneren Eigenschaften werden durch den Zustand, den man dem betrachteten Quantensystem im Rahmen der Quantenphysik zuordnet, festgelegt. Zugänglich sind nur die Wirkungen dieser Eigenschaften auf die betrachteten Quantensysteme. Die Wirkung dieser Eigenschaften beschränkt sich darauf, dass durch diese, die für das Quantensystem und die für dieses Quantensystem möglichen formal äquivalenten Quantensysteme, realisierbaren energetischen Repräsentationen festgelegt werden. Erst über die tatsächlich realisierten energetischen Repräsentationen sind diese Eigenschaften über physikalische Wechselwirkungen zugänglich.
In this sense, entangled systems are not generated, but correspond only less strongly energetically isolated systems. In the case of physically independently prepared subsystems, this fact is reflected in the inherent properties assigned to them. However, the degree of energetic isolation of a quantum system is not only influenced by the preparation steps used. Of course, even if a measurement is made on a quantum system, it naturally has an influence on the degree of energetic isolation of the quantum system. This influence is reflected in the postulated projection postulate in quantum physics. However, this interpretation already contains the key message for an idea that distinguishes quantum physics. These could be formulated as follows:
IN6): In nature there are properties that are in principle not accessible via physical interactions. One could call these properties internal properties of quantum systems. The intrinsic properties physically attributable to a quantum system are determined by the state that is assigned to the quantum system under consideration in quantum physics. Only the effects of these properties on the considered quantum systems are accessible. The effect of these properties is limited to the fact that these are used to establish realizable energy representations for the quantum system and the formally equivalent quantum systems possible for this quantum system. Only through the actually realized energetic representations are these properties accessible via physical interactions.

Wie das im Folgenden diskutierte Beispiel zur Teleportation zeigt, ist es nicht zwingend erforderlich, dass die beteiligten Teilsysteme physikalisch in Wechselwirkung treten, damit die dem Zustand des Gesamtsystems zugeordneten inhärenten Eigenschaften über die, diesen zugeordneten energetischen Repräsentationen zugänglich werden. Hierzu möchte ich auf die in [20] und [21] beschriebenen Experimente zur Teleportation kurz näher eingehen. Für diese Experimente werden in der in dargestellten linearen Ionenfalle drei Ionen gespeichert. Das Ziel dieser Experimente ist es, den Zustand eines Qubits (Ion 1) auf ein anderes Qubit (Ion 3) zu übertragen, ohne das zu irgendeinem Zeitpunkt eine direkte physikalische Wechselwirkung zwischen diesen beiden Qubits stattgefunden hat. Hierzu werden in einem ersten Schritt die Ionen 3 und 2 (das linke Ion und das mittlere Ion) in den Bell-Zustand Ψ+ 32 präpariert. Danach wird das Ion 1 in einen beliebigen Zustand Ψab 1 präpariert. Für das Gelingen des Experimentes ist es nicht erforderlich diesen Zustand zu kennen. Der Zustand für das Gesamtsystem ist dann gegeben durch: ΨT = 1/(2)1/2(|1>3|0>2 + |0>3|1>2ab 1 (21) mit Ψab 1 = 1/(2)1/2(a|0>1 + b|1>1); |a| + |b|2 = 1. (22) As the example for teleportation discussed below shows, it is not absolutely necessary for the participating subsystems to interact physically so that the inherent properties associated with the state of the overall system become accessible via their associated energy representations. I would like to briefly discuss the experiments for teleportation described in [20] and [21]. For these experiments, in the in stored linear ion trap three ions stored. The goal of these experiments is to transfer the state of one qubit (Ion 1) to another qubit (Ion 3) without any direct physical interaction between these two qubits at any one time. For this purpose, in a first step, the ions 3 and 2 (the left ion and the middle ion) are prepared in the Bell state Ψ + 32 . Thereafter, the ion 1 is prepared in any state Ψ from 1 . For the success of the experiment, it is not necessary to know this condition. The state for the entire system is then given by: Ψ T = 1 / (2) 1/2 (| 1> 3 | 0> 2 + | 0> 3 | 1> 2 ) Ψ ab 1 (21) With Ψ from 1 = 1 / (2) 1/2 (a | 0> 1 + b | 1> 1 ); | A | + | b | 2 = 1. (22)

Weiter ergibt sich ΨT = 1/(4)1/2(a|1>3|0>2|0>1 + b|1>3|0>2|1>1 + a|0>3|1>2|0>1 + b|0>3|1>2|1>1) = 1/(8)1/2((a|1>3 + b|0>3+ 21 + (a|1>3 – b|0>3 21 + (a|0>3 + b|1>3+ 21 + (a|0>3 – b|1>3 21) = 1/(4)1/2((XYab 3+ 21 + (XZΨab 3 21 + Ψab 3Ψ+ 21 + (ZΨab 3 21) (23) wobei verwendet wurde |0>2|a>1 = 1/(2)1/2+ 21 + Φ 21) |1>2|1>1 = 1/(2)1/2+ 21 – Φ 21) |1>2|0>1 = 1/(2)1/2+ 21 + Ψ 21) |0>2|1>1 = 1/(2)1/2+ 21 – Ψ 21) und 1/(2)1/2(a|0>3 + b|1>3) = Ψab 3 1/(2)1/2(a|1>3 + b|0>3) = XΨab 3 1/(2)1/2(a|1>3 – b|0>3) = XZΨab 3 1/(2)1/2(a|0>3 – b|1>3) = ZΨab 3 mit den Pauli Operatoren X und Z

Figure 00440001
Next follows Ψ T = 1 / (4) 1/2 (a | 1 > 3 | 0> 2 | 0> 1 + b | 1> 3 | 0> 2 | 1> 1 + a | 0> 3 | 1> 2 | 0> 1 + b | 0> 3 | 1> 2 | 1> 1 ) = 1 / (8) 1/2 ((a | 1> 3 + b | 0> 3 ) Φ + 21 + (a | 1> 3 - b | 0> 3 ) Φ - 21 + (a | 0> 3 + b | 1> 3 ) Ψ + 21 + (a | 0> 3 - b | 1> 3 ) Ψ - 21 ) = 1 / ( 4) 1/2 ((XY from 3 ) Φ + 21 + (XZΨ from 3 ) Φ - 21 + Ψ from 3 Ψ + 21 + (ZΨ from 3 ) Ψ - 21 ) (23) where used | 0> 2 | a> 1 = 1 / (2) 1/2+ 21 + Φ - 21 ) | 1> 2 | 1> 1 = 1 / (2) 1/2+ 21 - Φ - 21 ) | 1> 2 | 0> 1 = 1 / (2) 1/2+ 21 + Ψ - 21 ) | 0> 2 | 1> 1 = 1 / (2) 1/2+ 21 - Ψ - 21 ) and 1 / (2) 1/2 (a | 0> 3 + b | 1> 3 ) = Ψ from 3 1 / (2) 1/2 (a | 1> 3 + b | 0> 3 ) = XΨ from 3 1 / (2) 1/2 (a | 1> 3 - b | 0> 3 ) = XZΨ from 3 1 / (2) 1/2 (a | 0> 3 - b | 1> 3 ) = ZΨ from 3 with the Pauli operators X and Z
Figure 00440001

Wendet man den Operator UB2B1, der nur auf Ion 2 und Ion 1 wirkt, auf den Zustand ΨT an, so wird dieser in den Zustand ΨTB2B1 = 1/(4)1/2((XΨab 3)|0,0> + (XZΨab 3)|0,1> + Ψab 3|1,0> + (ZΨab 3)|1,1>) (24) überführt. Der Zustand ΨTB2B1 ist somit formal äquivalent zu dem Zustand ΨT. Führt man nun an den Ionen 2 und 1 eine Messung durch, so wird der Zustand Ψab 1 in den das Ion 1 ursprünglich präpariert wurde nun über Ion 3 zugänglich. Erhält man beispielsweise das Messergebnis „Ion 1 fluoresziert und Ion 2 fuoresziert nicht, so weiß man, dass das Ion 3 dann in dem Zustand Ψab 3 vorliegen muss. In den anderen Fällen liegt das Ion 3 nach einer Messung an den Ionen 1 und 2 zwar nicht im Zustand Ψab 3 vor, kann aber immer in diesen überführt werden. Erhält man beispielsweise das Messergebnis „Ion 1 fluoresziert und Ion 2 fluoresziert”, so braucht man nur den Operator X–1 auf das Ion 3 anzuwenden um dieses in den Zustand Ψab 3 zu überführen. Wobei mit X–1 der zu X inverse Operator bezeichnet sei. Um den Zustand von Ion 3 analysieren zu können, ist es somit zwingend erforderlich, vor der Zustandsanalyse am Ion 3 eine Messung an den Ionen 1 und 2 durchzuführen. Da Messwerte aber immer klassische Größen sind, wird auch bei den in [20] und [21] beschriebenen Experimenten zur Teleportation ein klassischer Informationskanal benötigt, um die Zustandsanalyse an Ion 3 durchführen zu können.If one applies the operator U B2B1 , which acts only on ion 2 and ion 1, to the state Ψ T , then this becomes the state Ψ TB2B1 = 1 / (4) 1/2 ((XΨ from 3 ) | 0,0> + (XZΨ from 3 ) | 0,1> + Ψ from 3 | 1,0> + (ZΨ from 3 ) | 1 , 1>) (24) transferred. The state Ψ TB2B1 is thus formally equivalent to the state Ψ T. If a measurement is now carried out on the ions 2 and 1, the state Ψ from 1 into which the ion 1 was originally prepared is now accessible via ion 3. If, for example, the measurement result "Ion 1 fluoresces and Ion 2 does not fluoresce, then it is known that the ion 3 must then be in the state Ψ ab 3 . In other cases, the ion 3 is not after a measurement of the ion 1 and 2 while in the state Ψ from 3, but may be converted always therein. Is obtained, for example, the measurement result "Ion fluoresces 1 and 2 fluoresces Ion", one needs to apply in order to convert this into the state Ψ from 3 only the operator X -1 on the ion. 3 Where X- 1 is the operator inverse to X. In order to be able to analyze the state of ion 3, it is therefore absolutely necessary to perform a measurement on ions 1 and 2 before the state analysis on ion 3. However, as measured values are always classical quantities, a classical information channel is also required for the teleportation experiments described in [20] and [21] in order to be able to carry out the state analysis on Ion 3.

Um die Experimente interpretieren zu können, ist es notwendig die einzelnen Schritte genauer zu betrachten. Im ersten Schritt werden die Ionen 3 und 2 in den Bell-Zustand Ψ+ 32 präpariert. Bei diesem Schritt gibt es keine physikalische Wechselwirkung mit dem Ion 1. Dann wird das Ion 1 in den Zustand Ψab 1 präpariert. Auch bei diesem Schritt wechselwirkt das Ion 1 nicht mit den Ionen 3 und 2. Man hat somit zwei physikalisch völlig unabhängige Systeme präpariert. Die einzige Möglichkeit einem aus zwei physikalisch unabhängigen Systemen bestehenden Gesamtsystem innerhalb der Quantenphysik einen Zustand zuzuordnen, besteht darin, diesem den über das Produkt der Zustände der einzelnen Systeme gebildeten Produktzustand zuzuordnen. Somit befindet sich das aus den drei Ionen bestehende Gesamtsystem im Zustand ΨT Gl. (21). Dem Quantensystem lassen sich nun aber auch die durch Gl. (23) beschriebenen Eigenschaften zuordnen. Es sind genau diese Eigenschaften, die die Teleportation ermöglichen. Allerdings besitzt das Quantensystem diese Eigenschaften nur als inhärente Eigenschaft. Um diese messtechnisch zugänglich zu machen müssen an dem Quantensystem die entsprechenden energetischen Repräsentationen realisiert werden. Dieses gelingt dadurch, dass der Zustand ΨT mittels des Operators UB2B1 in den formal äquivalenten Zustand ΨTB2B1 überführt wird. Erst dann sind die in Gl. (23) beschriebenen inhärenten Eigenschaften des Quantensystems in der Rechenbasis messtechnisch über die entsprechenden energetischen Repräsentationen zugänglich. Denn erst im Zustand ΨTB2B1 kann man im Sinne des Superpositionsprinzips von vier prinzipiell ununterscheidbaren Möglichkeiten sprechen, da erst in diesem die hierzu notwendige unverwechselbare Eigenschaft des Quantensystems durch die in den Ionen 1 und 2 gespeicherte Energie gegeben ist. Erhält man dann beispielsweise bei einer Messung an den Ionen 1 und 2 das Messergebnis „Ion 2 fluoresziert und Ion 1 fluoresziert nicht”, so muss das Quantensystem nach der Messung an den Ionen 1 und 2 im Zustand Ψab 3|1,4> vorliegen.

  • IV. Elementare Quantensysteme: Da nach den Interpretationen (IN5) und (IN6) die einem Quantensystem, über dessen Zustand zugeordneten, Eigenschaften zwar durch die energetischen Repräsentationen physikalisch zugänglich werden, die energetischen Repräsentationen aber nicht als Träger dieser Eigenschaften betrachtet werden können, liegt die Vermutung nahe, dass es auch Quantensysteme geben könnte, die keine energetische Repräsentation besitzen. Dass es solche Quantensysteme gibt, möchte ich anhand der folgenden Überlegungen aufzeigen.
In order to be able to interpret the experiments, it is necessary to take a closer look at the individual steps. In the first step, ions 3 and 2 are prepared in the Bell state Ψ + 32 . In this step, there is no physical interaction with the ion 1. Then, the ion 1 is prepared in the state Ψ from 1 . Also in this step the ion 1 does not interact with the ions 3 and 2. Thus one has two Physically prepared completely independent systems. The only way to assign a state within quantum physics to a whole system consisting of two physically independent systems is to associate with it the product state formed over the product of the states of the individual systems. Thus, the total system consisting of the three ions is in the state Ψ T Gl. (21). But the quantum system can now also be solved by Eq. (23) properties. It is precisely these properties that enable teleportation. However, the quantum system has these properties only as an inherent property. In order to make these metrologically accessible, the corresponding energetic representations must be realized on the quantum system. This is achieved by the fact that the state Ψ T is converted by means of the operator U B2B1 in the formally equivalent state Ψ TB2B1 . Only then are those in Eq. (23) described in the arithmetic base of the quantum system in terms of metrology accessible via the corresponding energetic representations. For it is only in the state Ψ TB2B1 that one can speak of four fundamentally indistinguishable possibilities in terms of the superposition principle, since only in this case is the unmistakable property of the quantum system necessary for this given by the energy stored in ions 1 and 2. If, for example, the measurement result "Ion 2 fluoresces and Ion 1 does not fluoresce" then, for example, when measuring at the ions 1 and 2, then the quantum system must be present after the measurement at the ions 1 and 2 in the state Ψ from 3 | 1.4> ,
  • IV. Elementary quantum systems: Since according to the interpretations (IN5) and (IN6), the properties assigned to a quantum system, whose properties are physically accessible through the energetic representations, can not be considered to carry the energy representations Conjecture that there may also be quantum systems that have no energetic representation. I want to show that there are such quantum systems based on the following considerations.

Präpariert man zwei Ionen in den Bell-Zustand Ψ 21 und werden dann die beiden Ionen mit einem geeigneten π-Puls beleuchtet [17], so kann der Zustand Ψ 21 in den Zustand Ψ25 = 1/21/2(|1‚2> – |2,1>) (25) überführt werden. Die beiden Ionen befinden sich dann im elektronischen Grundzustand (42S1/2). Da der Kernspin der verwendeten 40Ca+-Ionen gleich Null ist, beschreibt der Zustand Ψ25 ein aus zwei Spin ½ Systemen zusammengesetztes System mit Gesamtspin 0. Der elektronische Grundzustand wird durch den Zeemann-Effekt [22] in den energetisch tiefer liegende Zustand |1> (Grundzustand des Qubits) mit der magnetischen Quantenzahl m = –1/2 und den energetisch höher liegenden Zustand |2> (angeregter Zustand des Qubits) mit der magnetischen Quantenzahl m = +1/2 aufgespalten. Schaltet man nun das in z-Richtung der Ionenfalle überlagerte Magnetfeld aus, so fallen die beiden Energieniveaus |1> und |2> zusammen. Bei diesem Vorgang muss dann der Spin-Freiheitsgrad eines der beiden Ionen die Energie ΔEz/2 abgeben und der Spin-Freiheitsgrad des jeweils anderen Ions die Energie ΔEz/2 aufnehmen, wobei mit ΔEz die Energiedifferenz zwischen den beiden Zustände |2> und |1> bei eingeschaltetem Magnetfeld bezeichnet sei. Man kann allerdings prinzipiell nicht entscheiden, ob der Spin-Freiheitsgrad des linken oder rechten Ions die Energie ΔEz/2 aufnimmt oder abgibt. Da sich das der Ionenfalle überlagerte Magnetfeld während des Abschaltvorgangs zeitlich ändert, könnte die Energie ΔEz/2 über das Magnetfeld ausgetauscht werden. in der Summe nimmt das Magnetfeld allerdings weder Energie von dem Spin-Freiheitsgrad des Systems auf, noch gibt dieses in der Summe Energie an den Spin-Freiheitsgrad des Systems ab. Der ganz analoge Vorgang tritt ein, wenn das Magnetfeld wieder eingeschaltet wird. Im idealen Fall liegt dann, nachdem das Magnetfeld wieder eingeschaltet wurde, das Quantensystem wieder im energetisch repräsentierten Zustand Ψ25 vor. Solange das Magnetfeld jedoch ausgeschaltet ist, kann dem System im Zustand Ψ25 keine energtische Repräsentation zugeordnet werden, da die beiden Energieniveaus |1> und |2> energetisch zusammenfallen. Es ist dann nicht möglich im Sinne des Superpositionsprinzips von prinzipiell ununterscheidbaren Möglichkeiten zu sprechen, da die hierfür erforderliche unverwechselbare Eigenschaft über die energetischen Repräsentationen nicht gegeben ist. Quantensysteme die keine energetischen Repräsentationen besitzen möchte ich im Folgenden als „elementare Quantensysteme” bezeichnen. Dem einem elementaren Quantensystem zugeordneten Zustand möchte ich dann als „elementaren Zustand” bezeichnen.If two ions are prepared in the Bell state Ψ - 21 and then the two ions are illuminated with a suitable π-pulse [17], the state Ψ - 21 can change to the state = 25 = 1/2 1/2 (| 1,2> - | 2,1>) (25) be transferred. The two ions are then in the electronic ground state (4 2 S 1/2 ). Since the nuclear spin of the 40 Ca + ions used equals zero, the state Ψ 25 describes a system composed of two spin ½ systems with total spin 0. The electronic ground state is transformed into the energetically lower state by the Zeemann effect [22] 1> (ground state of the qubit) with the magnetic quantum number m = -1/2 and the higher energy state | 2> (excited state of the qubit) with the magnetic quantum number m = +1/2. If the magnetic field superimposed in the z-direction of the ion trap is switched off, the two energy levels | 1> and | 2> coincide. In this process, the spin degree of freedom of one of the two ions must then give the energy ΔE z / 2 and the spin degree of freedom of the other ion absorb the energy ΔE z / 2, where ΔE z is the energy difference between the two states | 2> and | 1> when the magnetic field is activated. However, one can not decide in principle whether the spin degree of freedom of the left or right ion absorbs or gives off the energy ΔE z / 2. Since the magnetic field superimposed on the ion trap changes over time during the switch-off process, the energy ΔE z / 2 could be exchanged via the magnetic field. however, in sum, the magnetic field does not absorb energy from the system's spin-degree of freedom, nor does it summon energy to the spin-degree of freedom of the system. The very analogous process occurs when the magnetic field is switched on again. In the ideal case, after the magnetic field has been switched on again, the quantum system is again present in the energetically represented state Ψ 25 . However, as long as the magnetic field is switched off, no energetic representation can be assigned to the system in state Ψ 25 , since the two energy levels | 1> and | 2> coincide energetically. It is then not possible, in the sense of the superposition principle, to speak of basically indistinguishable possibilities, since the characteristic property required for this via the energetic representations is not given. I would like to refer to quantum systems that do not possess energetic representations as "elementary quantum systems". I would like to call the state associated with an elementary quantum system "elementary state".

Mittels des Spin-Freiheitsgrades ist es somit auf einfache Art und Weise möglich elementare Quantensysteme zu präparieren. Zum besseren Verständnis möchte ich kurz einige Eigenschaften von Systemen mit Spin ½ angeben. Hierzu wird im Folgenden angenommen, dass das dem Spin ½ System zugeordnete magnetische Moment μ anti-parallel zum Spin ausgerichtet ist. Dieses schränkt die Allgemeinheit der getroffenen Aussagen nicht ein, da diese Annahme nur benötigt wird, um die Wechselwirkung eines Spin ½ Systems mit magnetischen Feldern möglichst einfach beschreiben zu können. Mit μ wird auch der Betrag des größtmöglichen Wertes der z-Komponente von μ = (μx, μy, μz) bezeichnet. Da keine Verwechslungsgefahr besteht, wird μ im Folgenden ebenfalls als magnetisches Moment bezeichnet.By means of the spin-degree of freedom, it is thus possible in a simple manner to prepare elementary quantum systems. For a better understanding, let me briefly describe some properties of systems with spin ½. For this purpose, it is assumed below that the magnetic moment μ associated with the spin ½ system is aligned anti-parallel to the spin. This does not limit the generality of the statements made, since this assumption is only needed in order to describe the interaction of a spin ½ system with magnetic fields as simply as possible. With μ is also the amount of maximum value of the z-component of μ = (μ x , μ y , μ z ) denotes. Since there is no likelihood of confusion, μ is also referred to below as the magnetic moment.

Befindet sich ein System mit Spin ½ in einem statischen Magnetfeld Bz, mit der Quantisierungsachse z' (das Magnetfeld zeigt in die Richtung z'), so können dem Spin-Freiheitsgrad über die Wechselwirkungsenergie W = –μB, (26) mit B = (0, 0, Bz') und Bz' > 0, zwei energetische Eigenzustände in Bezug auf die durch das Magnetfeld vorgegebene Quantisierungsachse z zugeordnet werden [22]. Der energetisch höher liegende Zustand |+z'> mit der Wechselwirkungsenergie W = +μBz' bei dem der Spin parallel zum Magnetfeld ausgerichtet ist (m = 1/2) und der energetisch tiefer liegende Zustand |–z'> mit der Wechselwirkungsenergie W = –μBz' bei dem der Spin anti-parallel zum Magnetfeld ausgerichtet ist (m = –1/2). Die Energiedifferenz ΔEz' der beiden Zuständen berechnet sich dann zu ΔEz' = fLamh = 2μBz' (27) wobei fLam die Lamorfrequenz bezeichnet. Ist das Magnetfeld nicht homogen, sondern besitzt einen Gradienten, wie beispielsweise das Magnetfeld in einem Stern-Gerlach-Magneten, so hängt die Richtung in die das System beschleunigt wird von der Wechselwirkungsenergie W = –μB und vom Gradienten des Magnetfeldes ab [23]. Ich möchte im Folgenden annehmen, dass die betrachteten Systeme keine Ladung tragen. Besitzt das Magnetfeld B den Gradienten dBz'/dz' < 0, so wird das System in die Richtung +z' beschleunigt, wenn W = +μBz' ist und in die Richtung –z' beschleunigt, wenn W = –μBz' ist. Befindet sich das System bezüglich der Quantisierungsachse z' in einem Überlagerungszustand Ψ28 = a+|+z'> + a|–z'>, (28) so kann nicht vorhergesagt werden, in welche Richtung (+z' oder –z') das System im Stern-Gerlach-Magneten beschleunigt wird. Es kann hierfür nur noch eine Wahrscheinlichkeit, die über das Betragsquadrat der Wahrscheinlichkeitsamplituden a+ und a festgelegt ist, angegeben werden [23]. Der Stern-Gerlach-Magnet ist nach W. Gerlach, O. Stern benannnt, die als Erste experimentell die Richtungsquantisierung des Seins nachgewiesen haben [24], [25].If a system with spin ½ exists in a static magnetic field B z , with the quantization axis z '(the magnetic field points in the direction z'), then the spin degree of freedom can be determined by the interaction energy W = -μB, (26) with B = (0, 0, B z ' ) and B z' > 0, two energy eigenstates are assigned with respect to the quantization axis z given by the magnetic field [22]. The energetically higher state | + z '> with the interaction energy W = + μB z' at which the spin is aligned parallel to the magnetic field (m = 1/2) and the lower energy state | -z '> with the interaction energy W = -ΜB z ' where the spin is anti-parallel to the magnetic field (m = -1/2). The energy difference ΔE z 'of the two states is then calculated to ΔE z ' = f Lam h = 2μB z' (27) where f Lam denotes the Lamor frequency. If the magnetic field is not homogeneous but has a gradient, such as the magnetic field in a Stern-Gerlach magnet, the direction in which the system is accelerated depends on the interaction energy W = -μB and on the gradient of the magnetic field [23]. In the following, I assume that the systems under consideration carry no charge. If the magnetic field B has the gradient dB z ' / dz'<0, then the system is accelerated in the direction + z 'when W = + μB z' and accelerates in the direction -z 'when W = -μB z ' is. If the system is in a superposition state with respect to the quantization axis z ' Ψ 28 = a + | + z '> + a - | -z'>, (28) thus it can not be predicted in which direction (+ z 'or -z') the system is accelerated in the Stern-Gerlach magnet. It can therefor only a probability that over the square value of the probability amplitudes a + and a - is set to be given [23]. The Stern-Gerlach magnet is named after W. Gerlach, O. Stern, who was the first to experimentally prove the direction quantization of being [24], [25].

Tritt ein Spin ½ System in ein statisches, hier homogenes Magnetfeld ein (siehe ), so tritt der longitudinale Stern-Gerlach-Effekt [26] auf. Solange sich das System im feldfreien Raum befindet, ist dessen Gesamtenergie Eges = E0 gleich der kinetischen Energie Ekin = ½mu2, wobei mit m die Masse des Systems und mit u die Geschwindigkeit des Systems bezeichnet sei. Tritt das System in das Magnetfeld Bz' mit der Quantisierungsachse z' ein, so kann man den Übergang vom feldfreien Bereich in den Bereich mit Magnetfeld so auffassen, als ob das System sich in ein Potential hineinbewegt. Innerhalb des Magnetfelds Bz' ist dann wieder die dem Spin-Freiheitsgrad über die Wechselwirkungsenergie W zugeordnete Energie für ein Spin ½ System im Zustand |+z'> gleich Espin = +μBz' und für ein Spin ½ System im Zustand |–z'> gleich Espin = –μBz'. Im feldfreien Raum gilt dann natürlich Espin = 0. Mit Eintritt des Systems in das Potential fallen die Energieniveaus des Spin-Freiheitsgrades somit nicht mehr zusammen, sondern werden für ein System im Zustand |+z'> um den Wert ΔEz'/2 angehoben und für ein System im Zustand |–z'> um den Wert ΔEz'/2 abgesenkt. Bezogen auf den feldfreien Fall, bei dem dem Spin-Freiheitsgrad keine Energie zugeordnet werden kann, muss das in das Potential eintretende System innerhalb der über die Energie-Zeit-Unschärferelation vorgegebenen Zeit Δt ≤ h/(4πΔEz'/2) (29) die entsprechende Energie aufnehmen oder abgeben, da sonst der Energieerhaltungssatz verletzt wäre. Nun kann aber das System mit dem als statisch angenommenen Magnetfeld keine Energie austauschen. Somit kann der Energieaustausch nur innerhalb des Systems stattfinden. Die Energie muss also mit der kinetischen Energie des Systems ausgetauscht werden. Ist das System im Zustand |+z'>, so ergibt sich für die Gesamtenergie weiterhin Eges = E0. Die kinetische Energie ist nun aber Ekin = E0 – ΔEz'/2. Ist das System im Zustand |–z'>, so ist die Gesamtenergie ebenfalls weiterhin Eges = E0. Für die kinetische Energie ergibt sich nun Ekin = E0 + ΔEz'/2. Nachdem das System den Übergangsbereich zwischen dem feldfreien Bereich außerhalb des Magneten und dem homogenen Bereich des Magneten durchquert hat, fliegt das System im Zustand |+z'> mit einer Geschwindigkeit < u durch den homogenen Bereich des Magnetfeldes und das System im Zustand |–z'> mit einer Geschwindigkeit > u durch den homogenen Teil des Magnetfeldes. Beim Austritt aus dem Magnetfeld dreht sich der beschriebene Vorgang um und in beiden Fällen fliegen die System wieder mit der Geschwindigkeit u weiter.If a spin ½ system enters a static, here homogeneous magnetic field (see ), the longitudinal Stern-Gerlach effect [26] occurs. As long as the system is in field-free space, its total energy E ges = E 0 is equal to the kinetic energy E kin = ½mu 2 , where m is the mass of the system and u is the velocity of the system. If the system enters the magnetic field B z ' with the quantization axis z', the transition from the field-free region into the magnetic field can be considered as if the system moves into a potential. Within the magnetic field B z ' , the energy associated with the spin degree of freedom via the interaction energy W is again given for a spin ½ system in the state | + z'> equal to E spin = + μB z ' and for a spin ½ system in the state | - z '> equal to E spin = -μB z' . In the field-free space Espin = 0, of course. With the entry of the system into the potential, the energy levels of the spin-degree of freedom do not coincide, but are raised by a value ΔE z ' / 2 for a system in the state | + z'> and for a system in the state | -z '> lowered by the value ΔE z' / 2. With respect to the field-free case in which no energy can be assigned to the spin degree of freedom, the system entering the potential must be within the time specified by the energy-time uncertainty principle Δt ≤ h / (4πΔE z ' / 2) (29) absorb or release the corresponding energy, otherwise the law of energy conservation would be violated. But now the system can not exchange energy with the static magnetic field. Thus, the energy exchange can only take place within the system. So the energy has to be exchanged with the kinetic energy of the system. If the system is in the state | + z '>, the total energy continues to be E ges = E 0 . The kinetic energy is now E kin = E 0 - ΔE z ' / 2. If the system is in the state | -z '>, then the total energy continues to be E ges = E 0 . The kinetic energy is now E kin = E 0 + ΔE z ' / 2. After the system has traversed the transition region between the field-free region outside the magnet and the homogeneous region of the magnet, the system flies in state | + z '> at a velocity <u through the homogeneous region of the magnetic field and the system in state | -z '> at a speed> u through the homogeneous part of the magnetic field. When exiting the magnetic field the process described reverses and in both cases the systems continue to fly at the speed u.

Eine energetische Verschiebung der Energieniveaus |+z'> und |–z'> tritt somit nicht nur dann auf, wenn ein Magnetfeld, wie im Beispiel oben, ein oder ausgeschaltet wird, sondern tritt auch auf, wenn ein Spin ½ System in ein statisches Magnetfeld eintritt. Für Spin ½ Systeme ist somit die im Hinblick auf das Superpositionsprinzip erforderliche unverwechselbare Eigenschaft immer durch die Wechselwirkungsenergie W = –μB gegeben. Dem Spin-Freiheitsgrad kann daher im feldfreien Raum keine energetische Repräsentation zugeordnet werden. Wird dann ein Magnetfeld eingeschaltet, oder treten die Systeme in ein statisches Magnetfeld ein, so kann dieser Vorgang auch als Präparationsschritt verstanden werden, bei dem das elementare Quantensystem in ein entsprechendes energetisch repräsentiertes Quantensystem überführt wird. Sofern man nicht den Standpunkt einnimmt, dass bereits durch das elementare Quantensystem festgelegt ist, ob das Quantensystem bei diesem Präparationsschritt Energie im Spin-Freiheitsgrad aufnimmt oder abgibt, was aber bedeuten würde, dass man eine verborgene Variable einführen würde, wird erst mit dem Präparationsschritt rein zufällig festgelegt, ob das Quantensystem im Spin-Freiheitsgrad Energie aufnimmt oder abgibt, wenn mehrere energetische Repräsentationen möglich sind. Analog kann der umgekehrte Vorgang interpretiert werden. Bei diesem wird dann ausgehend von einem energetisch repräsentierten Quantensystem das entsprechende elementare Quantensystem präpariert.An energetic shift of the energy levels | + z '> and | - z'> thus not only occurs when a magnetic field is switched on or off, as in the example above, but also occurs when a spin ½ system into a static Magnetic field occurs. For spin ½ systems, the unique property required with respect to the superposition principle is always given by the interaction energy W = -μB. The spin-degree of freedom can therefore be assigned no energetic representation in field-free space. If a magnetic field is then switched on, or if the systems enter a static magnetic field, then this process can also be understood as a preparation step, in which the elementary quantum system is converted into a corresponding energetically represented quantum system. Unless one considers that the elementary quantum system already determines whether the quantum system takes up or releases energy in the spin degree of freedom in this preparation step, but this would mean that one would introduce a hidden variable, this becomes clear only with the preparation step determine at random whether the quantum system absorbs or gives off energy in the spin degree of freedom if several energetic representations are possible. Similarly, the reverse process can be interpreted. In this case, the corresponding elementary quantum system is then prepared on the basis of an energetically represented quantum system.

Um Informationen über den Spin-Freiheitsgrad erhalten zu können, benötigt man ein geeignetes Messgerät, einen Spin-Analysator (SA). Hierzu kann im einfachsten Fall ein Stern-Gerlach-Magnet verwendet werden. Die über einen Stern-Gerlach-Magneten mit einem Magnetfeld Bz' mit der Quantisierungsachse z' und dem Gradienten dBz'/dz' < 0 zugänglichen Informationen des Quantensystems sind dann dadurch gegeben, in welche Richtung (+z' oder –z') die Spin ½ Systeme abgelenkt werden. Als Messergebnis kann man somit erhalten „Das Spin ½ System wurde in die +z'-Richtung abgelenkt” oder „Das Spin ½ System wurde in die –z'-Richtung abgelenkt”. Da einzelne Messergebnisse durch die jeweils realisierte energetische Repräsentation und damit über die Wechselwirkungsenergie W festgelegt sind, können diese wie folgt interpretiert werden:
IN7): Das Messergebnis „Das Spin ½ System wird in die Richtung +z' abgelenkt” repräsentiert die Information, dass der Spin-Freiheitsgrad des Spin ½ Systems mit Eintritt in das Magnetfeld Bz', mit Sicherheit die Energie ΔEz'/2 = μBz' aufgenommen hat. Das Messergebnis „Das Spin ½ System wird in die Richtung –z' abgelenkt” repräsentiert die Information, dass der Spin-Freiheitsgrad des Spin ½ Systems mit Eintritt in das Magnetfeld Bz', mit Sicherheit die Energie ΔEz'/2 = μBz' abgegeben hat.
To get information about the spin degree of freedom, you need a suitable measuring device, a spin analyzer (SA). For this purpose, a star Gerlach magnet can be used in the simplest case. The information of the quantum system accessible via a Stern-Gerlach magnet having a magnetic field B z ' with the quantization axis z' and the gradient dB z ' / dz'<0 is then given in which direction (+ z 'or -z' ) the spin ½ systems are deflected. As a result, one can obtain "The spin ½ system was deflected in the + z 'direction" or "The spin ½ system was deflected in the -z'direction". Since individual measurement results are determined by the respectively realized energy representation and thus by the interaction energy W, these can be interpreted as follows:
IN7): The measurement result "The spin ½ system is deflected in the direction + z 'represents the information that the spin degree of freedom of the spin ½ system with entry into the magnetic field B z' , certainly the energy ΔE z ' / 2 = μB z 'has recorded. The measurement result "The spin ½ system is deflected in the direction -z 'represents the information that the spin degree of freedom of the spin ½ system with entry into the magnetic field B z' , certainly the energy ΔE z ' / 2 = μB z 'has delivered.

Für ein Spin ½ System im Zustand |+z'> (|–z'>) kann man dann bezüglich der Quantisierungsachse z', analog zu (IN2), folgende Interpretation angeben:
IN8): Befindet sich ein Spin ½ System im Zustand |+z'> so repräsentiert dieser die Information, dass der Spin-Freiheitsgrad die Energie ΔEz'/2 = μBz' aufnehmen muss, sobald das System in das Magnetfeld Bz' eintritt. Befindet sich ein Spin ½ System im Zustand |–z'> so repräsentiert dieser die Information, dass der Spin-Freiheitsgrad die Energie ΔEz'/2 = μBz' abgeben muss, sobald das System in das Magnetfeld Bz' eintritt.
For a spin ½ system in the state | + z '> (| -z'>) one can then give the following interpretation with respect to the quantization axis z ', analogous to (IN2):
IN8): If a spin ½ system is in the state | + z '> it represents the information that the spin-degree of freedom has to absorb the energy ΔE z' / 2 = μB z ' as soon as the system enters the magnetic field B z'. entry. If a spin ½ system is in the state | -z '> it represents the information that the spin-degree of freedom has to give off the energy ΔE z' / 2 = μB z ' as soon as the system enters the magnetic field B z' .

Befindet sich ein Spin ½ System bezüglich der Quantisierungsachse z' in einem Überlagerungszustand Ψ28 Gl. (28), so kann diesem, analog zu (IN3), die Interpretation (IN9) zugeordnet werden.
IN9): Ein Überlagerungszustand Ψ = a+|+z'> + a|–z'> repräsentiert die Information, dass es zwei ½ prinzipiell ununterscheidbare Möglichkeiten gibt: 1.): „Der Spin-Freiheitsgrad des Spin Systems hat mit Eintritt in das Magnetfeld Bz' die Energie ΔEz'/2 = μBz' aufgenommen” oder 2.): „Der Spin-Freiheitsgrad des Spin ½ Systemss hat mit Eintritt in das Magnetfeld Bz' die Energie ΔEz'/2 = μBz' abgegeben”. Mit welcher Wahrscheinlichkeit die beiden Möglichkeiten vorliegen, wird durch das Betragsquadrat der Amplituden a+ und a angegeben.
If there is a spin ½ system with respect to the quantization axis z 'in a superposition state Ψ 28 Eq. (28), this can be assigned to the interpretation (IN9) analogously to (IN3).
IN9): A superposition state Ψ = a + | + z '> + a - | -z'> represents the information that there are two ½ basically indistinguishable possibilities: 1.): "The spin-degree of freedom of the spin system has to enter into the magnetic field B z ' the energy ΔE z' / 2 = μB z ' or 2.): "The spin degree of freedom of the spin ½ systemss has the energy ΔE z' / 2 = with entry into the magnetic field B z ' μB z ' delivered'. The probability of the two possibilities is given by the sum of the sums of the amplitudes a + and a - .

Auch Quantensystemen die aus mehreren Spin ½ Systemen zusammengesetzt sind, kann man auf diese Weise eine Interpretation zuordnen. Befindet sich beispielsweise ein aus zwei Spin ½ Systemen bestehendes Quantensystem bezüglich der Quantisierungsachse z' im Bell-Zustand Ψ30 = 1/21/2(|–z', +z'> – +z', –z'>) (30) und gilt Bz'L = Bz'R = Bz', wobei mit Bz'L und. Bz'R die Magnetfelder bezeichnet seien in die die Teilsysteme SL (linkes Teilsystem) bzw. SR (rechtes Teilsystem), mit |SL, SR> = |SL> |SR>, eintreten können (siehe hierzu auch ), so kann diesem, analog zu (IN4) die Interpretation (IN10) zugeordnet werden.
IN10): Der Bell-Zustand Ψ30 repräsentiert die Information, dass es zwei prinzipiell ununterscheidbare Möglichkeiten gibt: 1.): „Der Spin-Freiheitsgrad des Spin ½ Systems SL nimmt mit Eintritt in ein Magnetfeld Bz'L die Energie ΔEz'/2 = μBz' auf und der Spin-Freiheitsgrad des Spin ½ Systems SR gibt mit Eintritt in ein Magnetfeld Bz'R die Energie ΔEz'/2 = μBz' ab” oder 2.): „Der Spin-Freiheitsgrad des Spin ½ Systems SL gibt mit Eintritt in ein Magnetfeld Bz'L die Energie ΔEz'/2 = μBz' ab und der Spin-Freiheitsgrad des Spin ½ Systems SR nimmt mit Eintritt in ein Magnetfeld Bz'R die Energie ΔEz'/2 = μBz' auf”.
Even quantum systems composed of several spin ½ systems, one can assign an interpretation in this way. For example, is a quantum axis z 'in the Bell state consisting of two spin ½ systems Ψ 30 = 1/2 1/2 (| -z ', + z'> - + z ', -z'>) (30) and B z'L = B z'R = B z ' , where B z'L and. B z'R the magnetic fields are designated in which the subsystems S L (left subsystem) or SR (right subsystem), with | S L , S R > = | S L > | SR>, can occur (see also ), this can be assigned to the interpretation (IN10) analogously to (IN4).
IN10): The Bell state Ψ 30 represents the information that there are two basically indistinguishable possibilities: 1.): "The spin degree of freedom of the spin ½ system S L takes the energy ΔE z when entering a magnetic field B z'L ' / 2 = μB z' and the spin degree of freedom of the spin ½ system SR gives with entry into a magnetic field B z'R the energy ΔE z ' / 2 = μB z' ab "or 2.):" The spin degree of freedom of the spin ½ system S L gives the energy ΔE z ' / 2 when entering a magnetic field B z'L = μB z ' and the spin degree of freedom of the spin ½ system SR takes on the energy ΔE z' / 2 = μB z ' when entering a magnetic field B z'R ".

Bei den bisherigen Überlegungen wurde der räumliche Anteil des Zustands immer unterdrückt und nur der Spin-Anteil berücksichtigt. Dieses ist so lange gerechtfertigt, wie die den Spin-Freiheitsgrad betreffenden Präparationsschritte den räumlichen Zustandsanteil nicht verändern und der räumliche Zustandsanteil zum Verständnis der Überlegungen unerheblich ist. Der einzige Effekt der im Folgenden bei der Zustandspräparation verwendet wird und den räumlichen Zustandsanteil verändern könnte, ist der longitudinale Stern-Gerlach-Effekt. Der longitudinale Stern-Gerlach-Effekt hat beispielsweise dann einen Einfluss auf den räumlichen Zustandsanteil, wenn sich das Quantensystem bezüglich der Quantisierungsachse z' des Magnetfeldes Bz' in einem Überlagerungszustand Ψ28 Gl. (28) befindet. In diesem Fall, breiten sich die den Zustand bildenden Anteile mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in dem Magnetfeld aus [27]. Hierdurch werden die den räumlichen Anteilen zugeordneten Wellenzüge (de Broglie Wellenpakete) gegeneinander in Ausbreitungsrichtung verschoben. Nur wenn diese Verschiebung klein gegenüber der Ausdehnung des Wellenpaketes und damit klein gegenüber der Kohärenzlänge bleibt, kann dieser Einfluss vernachlässigt werden. Da dieses im Folgenden immer sichergestellt werden kann, möchte ich den räumlichen Zustandsanteil auch weiterhin nicht explizit angeben.In the previous considerations, the spatial part of the state was always suppressed and only the spin share is taken into account. This is justified as long as the spin-degree of freedom preparation steps do not change the spatial state component and the spatial state component is irrelevant to understanding the considerations. The only effect that will be used in the following for state preparation and that could change the spatial state component is the longitudinal Stern-Gerlach effect. The longitudinal Stern-Gerlach effect has, for example, an influence on the spatial state component if the quantum system with respect to the quantization axis z 'of the magnetic field B z' is in a superposition state Ψ 28 Eq. (28). In this case, the components forming the state propagate at different speeds in the magnetic field [27]. As a result, the spatial units associated wave trains (de Broglie wave packets) are shifted against each other in the propagation direction. Only if this shift remains small compared to the extent of the wave packet and thus small compared to the coherence length, this influence can be neglected. Since this can always be ensured in the following, I still do not want to explicitly state the spatial state part.

Da bei den folgenden Betrachtungen auf das EPR-Bohm-Gedankenexperiment [28] Bezug genommen wird, möchte ich dieses hier kurz beschreiben und aufzeigen, wie dieses mittels der oben eingeführten Begriffe elementares Quantensystem und energetisch repräsentiertes Quantensystem interpretiert werden kann. Das Gedankenexperiment wurde erstmals von David Bohr [29] vorgeschlagenen. Der wesentliche Gedanke des EPR-Bohm-Gedankenexperiments ist der folgende: In einer Quelle Q wird ein vor dem Zerfall idealerweise ruhendes System mit Gesamtspin 0 in zwei ununterscheidbare Teilsysteme mit Spin ½ unter Erhaltung des Gesamtspins so aufgespalten, dass die beiden Teilsysteme klassisch betrachtet auf einer geraden Linie entlang der x-Achse in entgegengesetzter Richtung mit betragsmäßig derselben Geschwindigkeit u von einander fort fliegen ( ). Wird das nach rechts entlang der x-Achse fliegende Teilsystem SR klassisch betrachtet in einer beliebigen Entfernung AR von der Quelle Q nachgewiesen, so weiß man mit Sicherheit, dass man zur selben Zeit in derselben Entfernung das nach links fliegende Teilsystem SL nachweisen kann, da das Gesamtsystem unter Erhaltung des Gesamtimpulses in zwei Teilsysteme zerfallen ist. In der Quantenphysik können zwei komplementäre Größen [30] allerdings nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit festgelegt werden. Je genauer man ein Teilchen lokalisiert (je kleiner die Ausdehnung der Quelle ist) desto unbestimmter wird der Impuls des Teilchens. Da es für das EPR-Bohm-Gedankenexperiment und für die weitere Diskussion ausreichend ist, wenn die Quelle eine Lokalisierung der Teilchen im Bereich einiger um ermöglicht und die Randbedingungen im Folgenden immer so gewählt werden können, dass die durch die Lokalisierung der Teilchen in der Quelle hervorgerufene Impulsunschärfe vernachlässigt werden kann, kann die Bewegung der Teilchen klassisch behandelt werden. Die beiden entlang der x-Achse im Abstand AR rechts und AL links von der Quelle Q angeordneten, identischen Stern-Gerlach-Magnete MR und ML dienen der Zustandsanalyse. Die Quantisierungsachsen sind mit z'R bzw. mit z'L bezeichnet. Die beiden Quantisierungsachsen liegen im Folgenden immer in der xy-Ebene.Since the following considerations refer to the EPR-Bohm thought experiment [28], I would like to briefly describe this here and show how this can be interpreted by means of the concepts introduced above elementary quantum system and energetically represented quantum system. The thought experiment was first proposed by David Bohr [29]. The essential idea of the EPR-Bohm thought experiment is the following: In a source Q, a system that is ideally at rest before decay is split with total spin 0 into two indistinguishable subsystems with spin ½, preserving the overall spin such that the two subsystems look classically on a single spin straight line along the x axis in the opposite direction with the same velocity u flying away from each other ( ). If the subsystem SR flying to the right along the x-axis is conventionally detected at any distance A R from the source Q, then it is certain that at the same time it can detect the left-flying subsystem S L at the same distance, since the entire system has decayed into two subsystems while preserving the total momentum. In quantum physics, however, two complementary quantities [30] can not be determined simultaneously with arbitrary precision. The more accurately one locates a particle (the smaller the extent of the source is) the more indefinite the momentum of the particle becomes. Since it is sufficient for the EPR-Bohm thought experiment and for further discussion, if the source allows localization of the particles in the range of some order and the boundary conditions can always be chosen in the following, that by the localization of the particles in the source caused impulse blur can be neglected, the movement of the particles can be treated classically. The two along the x-axis in the distance A R right and A L left of the source Q arranged identical star Gerlach magnets M R and M L are used for state analysis. The quantization axes are denoted by z ' R and z' L , respectively. The two quantization axes are always below in the xy plane.

Sind die beiden das Gesamtsystem bildenden Spin ½ Teilsysteme ununterscheidbar, so muss der das Gesamtsystem beschreibende quantenphysikalische Zustand auf Grund des Pauli-Prinzips antisymmetrisch unter Vertauschung der beiden Spin ½ Systeme sein. Somit ergibt sich für die Beschreibung des Gesamtsystem unmittelbar der Zustand Ψ31 = 1/21/2(|–,+> – |+,–>), (31) wobei „+” bedeutet, dass dem entsprechenden Teilsystem der Spin +½ zugeordnet wird und „–” bedeutet, dass diesem Teilsystem der Spin –½ zugeordnet wird, mit |SL, SR> = |SL>|SR>. Eine wesentliche Eigenschaft des so präparierten maximal verschränkten Zustands Ψ31 ist, dass diesem keine Quantisierungsrichtung zugeordnet werden kann [28], [29], [31]. Man kann den so präparierten Zustand Ψ31 also nicht in der Form interpretieren, dass dieser zwar eine Quantisierungsrichtung besitzt, man diese aber nicht kennt.If the two spin ½ subsystems forming the entire system are indistinguishable, then the quantum physical state describing the entire system must be antisymmetric due to the Pauli principle and the two spin ½ systems interchanged. This results in the description of the overall system immediately the state = 31 = 1/2 1/2 (| -, +> - | +, ->), (31) where "+" means that the corresponding subsystem is assigned the spin + ½ and "-" means that this subsystem is assigned the spin -½, with | S L , S R > = | S L > | S R >. An essential property of the maximally entangled state Ψ 31 thus prepared is that no quantization direction can be assigned to it [28], [29], [31]. It is therefore not possible to interpret the state Ψ 31 thus prepared in such a way that, although it has a direction of quantization, it is not known.

Ist AL = AR und beispielsweise Bz'L = Bz'R = Bz' mit z'L = z'R = z', so wird der elementare Zustand Ψ31 Gl. (31) in den bezüglich der Quantisierungsachse z' energetisch repräsentierten Zustand Ψ30 Gl. (30) überführt, sobald die Teilsysteme in die jeweiligen Magnetfelder eintreten. Dabei spielt es keine Rolle, in welche Richtung die Quantisierungsachse z' zeigt. Bezüglich der Quantisierungsachse z' erhält man immer den energetisch repräsentierten Zustand Ψ30. Damit hängen die für das Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen, im Unterschied zu allen bisher betrachteten Quantensystemen, nicht von der Quantisierungsrichtung z' ab. Entsprechend den jeweils tatsächlich realisierten energetischen Repräsentationen im Spin-Freiheitsgrad wird dann das Teilsystem SL (SR) entweder in die Richtung +z' (–z') oder in die Richtung –z' (+z') abgelenkt. Die den beiden Zustandsanteilen des Zustands Ψ30 zugeordneten räumlichen Anteile (de Broglie-Wellenpakete) werden hierdurch schließlich so weit voneinander separiert, dass diese nicht mehr räumlich überlappen und die jeweils tatsächlich realisierten energetischen Repräsentationen zu unterscheidbaren Ereignissen auf den Detektoren DL und DR führen. Sobald die beiden Teilsysteme SL und SR die jeweiligen Magnetfelder verlassen haben, kann dem Quantensystem hinsichtlich des Spin-Freiheitsgrades jedoch keine energetische Repräsentation mehr zugeordnet werden. Dennoch liegt ein energetisch repräsentiertes Quantensystem vor. Energetische Repräsentationen können nun im Sinne des Superpositionsprinzips durch die möglichen Wege, die die einzelnen Teilsysteme nehmen können, dem Quantensystem zugeordnet werden. Die Stern-Gerlach-Magneten überführen somit das ursprünglich elementare Quantensystem in ein hinsichtlich des räumlichen Freiheitsgrades energetisch repräsentiertes Quantensystem. Solange es nicht einmal im Prinzip möglich ist, zu entscheiden, in welche Richtung die Teilsysteme SL und SR in den jeweiligen Stern-Gerlach-Magneten abgelenkt wurden, wird das dann hinsichtlich des räumlichen Freiheitsgrades verschränkte Quantensystem durch die beiden möglichen energetischen Repräsentationen 1.) „Die kinetische Energie des Teilsystems SL ist in dem in die Richtung +z' sich ausbreitenden Wellenpaket lokalisiert und die kinetische Energie des Teilsystems SR ist in dem in die Richtung –z' sich ausbreitenden Wellenpaket lokalisiert” oder 2.) „Die kinetische Energie des Teilsystems SL ist in dem in die Richtung –z' sich ausbreitenden Wellenpaket lokalisiert und die kinetische Energie des Teilsystems SR ist in dem in die Richtung +z' sich ausbreitenden Wellenpaket lokalisiert” repräsentiert. Das ursprünglich hinsichtlich des Spin-Freiheitsgrades maximal verschränkte elementare Quantensystem wird somit mit zunehmender Separierung der räumlichen Zustandsanteile in ein hinsichtlich des räumlichen Freiheitsgrades energetisch repräsentiertes maximal verschränktes Quantensystem überführt. Sobald die räumlichen Zustandsanteile nicht mehr überlappen, ist die Verschränkung dann vollständig vom Spin-Freiheitsgrad auf den räumlichen Freiheitsgrad übertragen worden. Sobald man dann weiß und sei es nur, dass man es im Prinzip wissen könnte, in welche Richtung die Teilsysteme SL oder SR abgelenkt wurden, wird der Zustand Ψ30 entweder in den Zustand |+z'L,–z'R> oder in den Zustand |–z'L,+z'R> überführt.If A L = A R and for example B z'L = B z'R = B z ' with z' L = z ' R = z', the elementary state Ψ 31 Eq. (31) in the energetically represented state Ψ 30 Eq. (30) transferred as soon as the subsystems enter the respective magnetic fields. It does not matter in which direction the quantization axis z 'points. With regard to the quantization axis z ', one always obtains the energetically represented state Ψ 30 . Thus depend the possible for the quantum system energetic Representations, in contrast to all previously considered quantum systems, not from the quantization direction z 'from. In accordance with the actually realized energy representations in the spin degree of freedom, the subsystem S L (S R ) is then deflected either in the direction + z '(-z') or in the direction -z '(+ z'). The spatial components (de Broglie wave packets) assigned to the two state components of the state Ψ 30 are thus so far separated from one another that they no longer spatially overlap and the actually realized energetic representations lead to distinguishable events on the detectors D L and D R , As soon as the two subsystems S L and S R have left the respective magnetic fields, however, no energy representation can be assigned to the quantum system with regard to the degree of spin-freedom. Nevertheless, there is an energetically represented quantum system. Energetic representations can now be assigned to the quantum system in the sense of the superposition principle by the possible paths which the individual subsystems can take. The Stern-Gerlach magnets thus transform the originally elementary quantum system into a quantum system energetically represented with respect to the spatial degree of freedom. As long as it is not even possible in principle to decide in which direction the subsystems S L and S R were deflected in the respective Stern-Gerlach magnets, the quantum system then entangled with respect to the spatial degree of freedom becomes the two possible energetic representations 1. ) "The kinetic energy of the subsystem S L is localized in the wave packet propagating in the direction + z 'and the kinetic energy of the subsystem S R is located in the wave packet propagating in the direction -z'" or 2.) "The Kinetic energy of the subsystem S L is located in the wave packet propagating in the -z 'direction and the kinetic energy of the subsystem S R is localized in the wave packet traveling in the + z' direction. The elementary quantum system, which was originally maximally entangled with regard to the degree of spin-freedom, is thus transferred with increasing separation of the spatial state components into a maximally entangled quantum system which is energetically represented with regard to the spatial degree of freedom. Once the spatial state parts no longer overlap, the entanglement has then been completely transferred from the spin degree of freedom to the spatial degree of freedom. As soon as one knows, if only in principle, that one could know in which direction the subsystems S L or S R were deflected, the state Ψ 30 either becomes the state | + z ' L , -z' R > or in the state | -z ' L , + z' R > transferred.

Ist AL > AR und tritt das nach rechts fliegende Teilsystem SR in das Magnetfeld des im Abstand AR von der Quelle Q angeordneten Stern-Gerlach-Magneten eintritt, so wird, sobald man weiß und sei es nur, dass man es im Prinzip wissen könnte, in welche Richtung das Teilsystem abgelenkt wird, der Zustand des Systems entweder in den Zustand |+z'L,–z'R> oder in den Zustand |–z'L,+z'R> überführt. Sind die beiden Quantisierungsachsen der verwendeten Stern-Gerlach-Magneten parallel, so sind die beiden möglichen Messergebnisse immer streng anti-korreliert, unabhängig von der Richtung der Quantisierungsachsen. Wird das Teilsystem SR in die Richtung +z'R (–z'R) abgelenkt, so weiß man mit Sicherheit, dass das Teilsystem SL in die Richtung –z'L (+z'L) abgelenkt wird ist nun die Quantisierungsrichtung des links von der Quelle im Abstand AL angeordnete Stern-Gerlach-Magnet nicht parallel zu z'R, so befindet sich das nach links fliegende Teilsystem SL, sobald dieses in das Magnetfeld des Stern-Gerlach-Magneten eintritt, bezüglich z'L in einem Überlagerungszustand und die beiden Messergebnisse sind dann nicht mehr streng anti-korreliert. Stehen die beiden Quantisierungsachsen z'L und z'R beispielsweise senkrecht zueinander, so kann keine Korrelation zwischen den beiden Messergebnissen mehr festgestellt werden. Man kann das EPR-Bohm-Gedankenexperiment also auch so interpretieren, dass mit Eintritt des rechten Teilsystems in das Magnetfeld des Stern-Gerlach-Magneten für das Systems eine Quantisierungsrichtung (hier z'R) festgelegt wird. Tritt zuerst das nach links fliegende Teilsystem (AL < AR) in das Magnetfeld des links von der Quelle im Abstand AL angeordneten Stern-Gerlach-Magneten ein, so wird die Quantisierungsrichtung des Systems durch diesen Magneten zu z'L festgelegt. Unabhängig davon ob AL > AR, AL < AR oder AL = AR gewählt wird, sind die beiden Messwerte somit immer streng anti-korreliert, solange die beiden Quantisierungsachsen z'L und z'R parallel sind.

  • V. Kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen: Nach den bisherigen Überlegungen kann man die Überführung eines elementaren Quantensystems in das entsprechende energetisch repräsentierte Quantensystem als Präparationsschritt begreifen. Dieser Präparationsschritt findet immer dann statt, wenn ein Magnetfeld eingeschaltet wird, oder das betreffende Quantensystem in ein Magnetfeld eintritt. Tritt beispielsweise ein Spin ½ System im Zustand |+z'> in ein Magnetfeld Bz' mit der Quantisierungsachse z' ein, so weiß man mit Sicherheit, dass dem System dann die energetische Repräsentation „Der Spin-Freiheitsgrad hat die über die Wechselwirkungsenergie W festgelegte Energie Espin = +μBz' (das System nimmt die Energie Espin = +μBz' im Spinfreiheitsgrad auf, sobald das System in das Magnetfeld eintritt)” zugeordnet werden kann. Das gleiche gilt, wenn ein Magnetfeld eingeschaltet wird. Befindet sich das System im Zustand |+z'> und wird dann ein Magnetfeld Bz' mit der Quantisierungsachse z' eingeschaltet, so weiß man mit Sicherheit, dass dem System dann die energetische Repräsentation „Der Spin-Freiheitsgrad hat die über die Wechselwirkungsenergie W festgelegte Energie Espin = +μBz' (das System nimmt die Energie Espin = +μBz' im Spinfreiheitsgrad auf, sobald das Magnetfeld eingeschaltet wird)” zugeordnet werden kann. Wenn man aber die Überführung eines elementaren Quantensystems in das entsprechende energetisch repräsentierte Quantensystem als Präparationsschritt auffassen kann, so stellt sich die Frage, ob es dann nicht auch noch andere Präparationsschritte zur Überführung eines elementaren Quantensystems in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem geben könnte, um die für das elementare Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen zu realisieren? Was dann aber die Frage aufwirft, auf welche Art und Weise der Spin-Freiheitsgrad sonst noch Energie austauschen könnte?
If A L > A R and the right-flying subsystem S R enters the magnetic field of the Stern-Gerlach magnet arranged at a distance A R from the source Q, then, as soon as one knows, if only that one is in the Principle could know in which direction the subsystem is deflected, the state of the system either in the state | + z ' L , -z' R > or in the state | - z ' L , + z' R > transferred. If the two quantization axes of the Stern-Gerlach magnets used are parallel, then the two possible measurement results are always strictly anti-correlated, regardless of the direction of the quantization axes. If the subsystem S R in the direction of + z deflected 'R (z' R), then one knows with certainty that the subsystem S L z in the direction 'L (+ z' L) is deflected is now the quantization of the left-ordered by the source at a distance A L Stern-Gerlach magnetic not parallel to z 'R, so there is the left flying subsystem S L, as soon as it enters the magnetic field of the star-Gerlach magnet with respect to z' L in a superposition state and the two measurement results are then no longer strictly anti-correlated. If, for example, the two quantization axes z ' L and z' R are perpendicular to one another, no correlation can be established between the two measurement results. The EPR-Bohm thought experiment can thus also be interpreted in such a way that a quantization direction (here z ' R ) is established for the system when the right subsystem enters the magnetic field of the Stern-Gerlach magnet. First, if the left-flying subsystem (A L <A R ) enters the magnetic field of the Stern-Gerlach magnet located to the left of the source at a distance A L , the quantization direction of the system is set to z ' L by this magnet. Regardless of whether A L> A R A L <A R or A L = A R is selected, the two measured values are thus always strongly anti-correlated, as long as the two quantization z 'L and z' R are parallel.
  • V. Coherently Coupled Vacuum Fluctuations: According to previous considerations, the transformation of an elementary quantum system into the corresponding energetically represented quantum system can be understood as a preparation step. This preparation step always takes place when a magnetic field is switched on, or the relevant quantum system enters a magnetic field. If, for example, a spin ½ system in the state | + z '> enters a magnetic field B z' with the quantization axis z ', then one knows with certainty that the system then has the energy representation "The spin degree of freedom has the interaction energy W fixed energy E spin = + μB z ' (the system takes on the energy E spin = + μB z' in the spin degree of freedom as soon as the system enters the magnetic field) ". The same is true when a magnetic field is turned on. If the system is in the state | + z '> and then a magnetic field B z' is switched on with the quantization axis z ', then one knows with certainty that the system then has the energetic representation "The spin degree of freedom has the interaction energy W fixed energy E spin = + μB z ' (the system takes on the energy E spin = + μB z' in the spin degree of freedom, as soon as the magnetic field is turned on) "can be assigned. If However, if the transfer of an elementary quantum system into the corresponding energetically represented quantum system can be considered as a preparation step, then the question arises, if there could not be other preparation steps for the transformation of an elementary quantum system into an energetically represented quantum system, that for the elementary quantum system to realize possible energetic representations? But then what raises the question, in what way the spin-degree of freedom could otherwise exchange energy?

Nun kann dem Vakuum für eine über die Energie-Zeit-Unschärferelation Gl. (29) vorgegebene Zeit Δt die Energie ΔEz'/2 = μBz' durch virtuelle Photonen entnommen werden. Diese Vakuumfluktuationen sind für eine ganze Reihe von physikalischen Phänomenen verantwortlich [33]. Ein Phänomen ist der Casimir-Effekt. Der Casimir-Effekt kann als von den virtuellen Photonen verursachter Strahlungsdruck aufgefasst werden [34]. Wenn man beispielsweise zwei planparallele Spiegel einander gegenüberstellt, so werden sich diese, auf Grund des zwischen den beiden Spiegeln im Vergleich zum Außenraum geringfügig verringerten Strahlungsdrucks der virtuellen Photonen, gegenseitig anziehen. Die hierdurch entstehende Kraft wird Casimir-Kraft genannt. Die Casimir-Kraft kann heutzutage mit hoher Genauigkeit gemessen werden [35]. Nun kann dem System (den beiden Spiegeln) aber Energie entnommen werden, wenn diese sich aufeinander zubewegen. Solange man die beiden Spiegel nicht wieder auseinander zieht, muss diese so gewonnene Energie dann aber dem Vakuum entnommen worden sein. Möchte man den Energie-Erhaltungssatz nicht aufgeben, so sollte man erwarten, dass das Vakuum dieselbe Energie wieder an irgendeiner Stelle aufnimmt, da ja sonst der Energie-Erhaltungssatz verletzt wäre. Wobei sich dann die Frage stellt, ob es für diesen Energieaustausch „im Vakuum” eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit vc ≤ c gibt, oder ob eine lokale „Entnahme von Energie aus dem Vakuum” sich augenblicklich an einer anderen, unter Umständen weit entfernten, Stelle als „Energieabgabe an das Vakuum” bemerkbar machen kann? Auf diese Frage möchte ich weiter unten noch genauer eingehen und hier annehmen, dass dieser Energieaustausch mit der endlichen Geschwindigkeit vc = c möglich ist. Geht man noch einen Schritt weiter, so kommt man zu folgender Hypothese:
Dem Vakuum kann lokal an einer Stelle für eine beliebig lange Zeit Energie, in Form eines über eine Vakuumfluktuation entstandenen Photons, entnommen werden, sofern an das Vakuum dieselbe Energiemenge wiederum in Form eines Photons an irgendeiner anderen Stelle lokal unter Einhaltung der Energie-Zeit-Unschärferelation Gl. (29) wieder abgegeben wird und somit dem Vakuum in der Summe weder Energie entnommen nach zugeführt wird.
Now, for the vacuum about the energy-time uncertainty relation Eq. (29) given time .DELTA.t the energy .DELTA.E z ' / 2 = μB z' are removed by virtual photons. These vacuum fluctuations are responsible for a whole series of physical phenomena [33]. One phenomenon is the Casimir effect. The Casimir effect can be understood as a radiation pressure caused by the virtual photons [34]. If, for example, two plane-parallel mirrors are opposed to one another, they will attract each other due to the radiation pressure of the virtual photons which is slightly reduced between the two mirrors compared to the outer space. The resulting force is called Casimir force. The Casimir force can now be measured with high accuracy [35]. Now, however, the system (the two mirrors) can be depleted of energy as they move towards each other. As long as you do not pull the two mirrors apart again, you have to extract this energy from the vacuum. If you do not want to give up the energy conservation law, you should expect the vacuum to pick up the same energy again at some point, otherwise the energy conservation law would be violated. The question then arises as to whether there is a finite propagation velocity v c ≤ c for this energy exchange "in vacuum", or whether a local "extraction of energy from the vacuum" takes place instantaneously at another, possibly far away, site "Energy release to the vacuum" can make noticeable? I would like to go into this question in more detail below and assume here that this energy exchange with the finite velocity v c = c is possible. Going one step further, one comes to the following hypothesis:
The vacuum can be taken locally at a location for an arbitrarily long time, in the form of a photon generated via a vacuum fluctuation, provided the same amount of energy to the vacuum again in the form of a photon at any other location locally while maintaining the energy-time uncertainty principle Eq. (29) is discharged again and thus the vacuum is taken in the sum neither energy removed after.

Nun wird dieser Prozess sicher nicht von sich aus auftreten. Wie beim Casimir-Effekt dürften spezielle Randbedingungen (dort den durch die Spiegel gebildeten Resonator) erforderlich sein, um diesen Prozess zu ermöglichen. Eine Möglichkeit die hierfür erforderlichen Randbedingungen herzustellen, könnte das im EPR-Bohm-Gedankenexperiment betrachtete System im Zustand Ψ31 bieten. Denn: Treten die beiden Teilsysteme SL und SR gleichzeitig in die Magnetfelder der Stern-Gerlachmagneten ML und MR ein, so muss nach (IN9) ein Teilsystem die Energie ΔEz'/2 = μBz' im Spin-Freiheitsgrad aufnehmen und das andere Teilsystem die Energie ΔEz'/2 = μBz' im Spin-Freiheitsgrad abgeben, sofern Bz'R = und Bz'R = Bz' und z'R = z'L = z' gilt. Welches Teilsystem Energie aufnimmt und welches Energie abgibt, kann allerdings prinzipiell nicht vorhergesagt werden. Diesen Sachverhalt könnte man daher auch so auffassen, dass dann über die Vakuumfluktuationen festgelegt wird, welches Teilsystem ein virtuelles Photon aufnimmt und welches ein Photon an das Vakuum abgibt. Nur wie könnte dieser Prozess konkret ablaufen?Now this process will not happen by itself. As with the Casimir effect, special boundary conditions (there the resonator formed by the mirrors) may be required to facilitate this process. One way to produce the necessary conditions that could offer 31 considered in the EPR-Bohm thought experiment system in the state Ψ. Because contact the two subsystems S L and S R at the same time in the magnetic fields of the Stern-Gerlach magnet M L and M R a, a subsystem needs to (IN9) the energy .DELTA.E z '/ 2 = mB z' in the spin degree of freedom record and the other subsystem gives the energy ΔE z ' / 2 = μB z' in the spin degree of freedom, provided B z'R = and B z'R = B z ' and z' R = z ' L = z'. Which subsystem absorbs energy and gives off energy, however, can not be predicted in principle. This situation could therefore also be interpreted in such a way that it is then determined via the vacuum fluctuations which subsystem receives a virtual photon and which emits a photon to the vacuum. But how could this process actually happen?

Hierzu möchte ich die in dargestellte Anordnung betrachten. Wie beim EPR-Bohm-Gedankenexperiment emittiert die Quelle Q ein aus zwei Spin ½ Systemen zusammengesetztes Quantensystem im Zustand Ψ31. Wobei sich die beiden Teilsysteme wieder auf einer geraden Linie entlang der x-Achse in entgegengesetzter Richtung mit betragsmäßig derselben Geschwindigkeit u von der Quelle Q entfernen. Entlang der x-Achse sind im Abstand AL links von der Quelle und im Abstand AR rechts von der Quelle die Magnete ML und MR angeordnet. Diese besitzen ein homogenes Magnetfeld, mit BzR = BzL = Bz' zR = zL = z und AR = AL. Der Bereich mit homogenem Magnetfeld soll für den Magneten ML die Länge LML und für den Magneten MR die Länge LMR haben. Der Übergangsbereich vom feldfreien Raum in den Bereich mit dem homogenen Magnetfeld Bz soll die Länge ΔsB haben. Mit ΔtB = ΔsB/u sei die Flugzeit bezeichnet, die die Teilsysteme benötigen um die Strecke ΔsB zu durchfliegen. Weiter soll die Randbedingung (R1) erfüllt sein: ΔtB ≤ Δtmax = h/(4πΔEz/2) (R1.1) (AL + AR)/vc « h/(4πΔEz/2) (R1.2) For this I would like the in look at the arrangement shown. As in the EPR-Bohm thought experiment, the source Q emits a quantum system composed of two spin ½ systems in state Ψ 31 . The two subsystems again move away from the source Q on a straight line along the x-axis in the opposite direction with the same velocity u. Along the x-axis, the magnets M L and M R are arranged at a distance A L to the left of the source and at a distance A R to the right of the source. These have a homogeneous magnetic field with B zR = B zL = B z ' z R = z L = z and A R = A L. The region with a homogeneous magnetic field to the magnet M L is the length L ML and for the magnet M R have the length L MR. Of the Transition region from the field-free space in the area with the homogeneous magnetic field B z should have the length Δs B. Δt B = Δs B / u denotes the time of flight which the subsystems need to fly through the distance Δs B. Furthermore, the boundary condition (R1) should be fulfilled: Δt B ≤ Δt max = h / (4πΔE z / 2) (R1.1) (A L + A R ) / v c h / (4πΔE z / 2) (R1.2)

Dabei stellt die Bedingung (R1.1) sicher, dass die durch die Energie-Zeit-Unschärferelation Gl. (29) maximal vorgegebene Zeit Δtmax größer oder gleich der Flugzeit ΔtB ist, die die Teilsysteme benötigen um den Übergangsbereich vom feldfreien Raum in den Bereich mit dem homogenen Magnetfeld Bz zu durchqueren. Die Bedingung (R1.2) stellt sicher, dass ein Energieaustausch zwischen den beiden Teilsystemen innerhalb des Spin-Freiheitsgrades in der durch die Energie-Zeit-Unschärferelation vorgegebenen maximalen Zeit Δtmax möglich ist.The condition (R1.1) ensures that the energy-time uncertainty equation Eq. (29) maximum predetermined time .DELTA.t max is greater than or equal to the time of flight .DELTA.t B , which require the subsystems to traverse the transition region from field-free space in the area with the homogeneous magnetic field B z . The condition (R1.2) ensures that an energy exchange between the two subsystems within the spin degree of freedom is possible in the maximum time Δt max given by the energy-time uncertainty principle.

Treten die beiden Teilsysteme SL und SR in die Magnetfelder der jeweiligen Magneten ein, so wird der elementare Zustand Ψ31 in einen, bezüglich der Quantisierungsachse z, energetisch repräsentierten Zustand überführt. Solange sich die Teilsysteme jedoch noch in den jeweiligen Übergangsbereichen befinden, kann noch nicht davon gesprochen werden, dass das Quantensystem eine energetische Repräsentation realisiert hat, da erst für Δt ≥ Δtvir = (ΔtB + Δtmax) (32) ein Energie-Austausch mit dem Spin-Freiheitsgrad mit Sicherheit abgeschlossen ist. Gl. (32) ist zwar eine etwas großzügige Abschätzung, ist aber für die weitere Diskussion ausreichend, da der genaue Wert im Folgenden nicht relevant ist. Sobald die Teilsysteme jedoch in den jeweiligen Übergangsbereich eintreten (Δt = 0) und solange die Teilsysteme im Spin-Freiheitsgrad noch keine Energie ausgetauscht haben, kann dem Quantensystem eine „virtuelle energetische Repräsentation” zugeordnet werden. Die beiden möglichen virtuellen energetischen Repräsentationen sind dann gegeben durch: 1.): „Der Spin-Freiheitsgrad des Teilsystems SL hat mit Eintritt in den Übergangsbereich des Magnetfeldes Bz die virtuelle Energie E+vir und der Spin-Freiheitsgrad des Teilsystems SR hat mit Eintritt in den Übergangsbereich des Magnetfeldes Bz die virtuelle Energie E–vir oder 2.): „Der Spin-Freiheitsgrad des Teilsystems SL hat mit Eintritt in den Übergangsbereich des Magnetfeldes Bz die virtuelle Energie E–vir und der Spin-Freiheitsgrad des Teilsystems SR hat mit Eintritt in den Übergangsbereich des Magnetfeldes Bz die virtuelle Energie E+vir'', mit E+vir(Δt) = E+spin(Δt) – μBz(Δt) und E–vir(Δt) = E(Δt) + μBZ(Δt) (33) mit: E+spin(Δt) = μBz(Δt) und E(Δt) = –μBz(Δt), wobei die Abhängigkeit der einzelnen Größen von der Variablen Δt davon herrührt, dass das Magnetfeld im Übergangsbereich nicht homogen ist und somit der Wert der einzelnen Größen von den jeweiligen Orten der Teilsysteme und damit von Δt abhängt. Die in Gl. (33) gewählte Schreibweise soll dabei folgendes zum Ausdruck bringen: Wird einem Teilsystem die virtuelle Energie E+vir(Δt) (E–vir(Δt)) zugeordnet, so entwickelt das Teilsystem diejenige energetische Repräsentation, die durch die Energie Espin = μBz (Espin = –μBz) gegeben ist, sofern die Teilsysteme die Möglichkeit haben, über den longitudinalen Stern-Gerlach-Effekt Energie zwischen dem Spin-Freiheitsgrad und der kinetischen Energie auszutauschen. Der longitudinale Stern-Gerlach-Effekt kann jedoch nicht auftreten, wenn das Teilsystem mit der virtuellen Energie E–vir mit einem virtuellen Photon der Energie μBz in Wechselwirkung tritt und die Energie des virtuellen Photons aufnimmt. Denn dann kann diesem nicht mehr die virtuelle Energie E–vir zugeordnet werden, da aufgrund der Absorption des virtuellen Photons dem Teilsystem danach die Energie Espin = μBz zugeordnet werden muss. Das andere Teilsystem mit der virtuellen Energie E+vir muss dann, in der über die Energie-Zeitunschärfe-Relation vorgegebenen Zeit die Energie μBz in Form eines Photons an das Vakuum abgeben. Diesem Teilsystem wird somit die Energie Espin = –μBz zugeordnet. Da unter diesen Randbedingungen immer eine für den Zustand Ψ31 mögliche energetische Repräsentation realisiert wird, möchte ich die für diesen Praparationsprozess notwendige Absorption eines virtuellen Photons durch ein Teilsystem und die Abgabe eines Photons an das Vakuum durch das andere Teilsystem im Folgenden als kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation bezeichnen. Das Auftreten einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation könnte man daher auch so auffassen, dass hierdurch ein synchrones Umklappen der Spins der beiden Teilsysteme bewirkt wird. Gl. (33) darf jedoch nicht in der Art interpretiert werden, dass zuerst festgelegt ist, welche virtuelle energetische Repräsentation realisiert wurde und danach dann eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auftritt. Von virtuellen energetischen Repräsentationen kann lediglich im formalen Sinne gesprochen werden, um den Vorgang einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation beschreiben zu können. Erst für die energetischen Repräsentationen kann davon gesprochen werden, dass eine der möglichen energetischen Repräsentationen über eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation physikalisch realisiert wird.If the two subsystems S L and S R enter the magnetic fields of the respective magnets, the elementary state Ψ 31 is converted into a state which is energetically represented with respect to the quantization axis z. However, as long as the subsystems are still in the respective transitional areas, it can not yet be said that the quantum system has realized an energetic representation, since only for Δt ≥ Δt vir = (Δt B + Δt max ) (32) an energy exchange with the spin degree of freedom is completed with certainty. Eq. (32) is a somewhat generous estimate, but is sufficient for further discussion, as the exact value is not relevant below. However, as soon as the subsystems enter the respective transition region (Δt = 0) and as long as the subsystems in the spin degree of freedom have not yet exchanged any energy, the quantum system can be assigned a "virtual energy representation". The two possible virtual energetic representations are then given by: 1.): "The spin degree of freedom of the subsystem S L has the virtual energy E + vir and the spin degree of freedom of the subsystem S R with entry into the transition region of the magnetic field B z with entry into the transition region of the magnetic field B z the virtual energy E -vir or 2.): "The spin degree of freedom of the subsystem S L has the virtual energy E -vir and the spin degree of freedom with entry into the transition region of the magnetic field B z of the subsystem S R has with entry into the transition region of the magnetic field B z the virtual energy E + vir '', with E + vir (Δt) = E + spin (Δt) - μB z (Δt) and E -vir (Δt) = E (Δt) + μB Z (Δt) (33) With: E + spin (Δt) = μB z (Δt) and E (Δt) = -μB z (Δt), where the dependence of the individual quantities on the variable Δt results from the fact that the magnetic field in the transition region is not homogeneous and thus the value of the individual quantities depends on the respective locations of the subsystems and thus on Δt. The in Eq. (33) selected notation is intended to express the following: If a subsystem is assigned the virtual energy E + vir (Δt) (E -vir (Δt)), then the subsystem develops the energy representation represented by the energy E spin = μB z (E spin = -μB z ), provided that the subsystems have the ability to exchange energy between the spin-degree of freedom and the kinetic energy via the longitudinal Stern-Gerlach effect. However, the longitudinal Stern-Gerlach effect can not occur if the virtual energy subsystem E- vir interacts with a virtual photon of energy μB z and captures the energy of the virtual photon. Because then this can no longer be assigned to the virtual energy E -vir , since due to the absorption of the virtual photon the subsystem after the energy E spin = μB z must be assigned. The other subsystem with the virtual energy E + vir must then release the energy μB z in the form of a photon to the vacuum in the time given by the energy-time-uncertainty relation. This subsystem is thus assigned the energy E spin = -μB z . Since under these boundary conditions an energetic representation is always realized for the state Ψ 31 , I would like to describe the absorption of a virtual photon by one subsystem and the delivery of one photon to the vacuum by the other subsystem as coherently coupled vacuum fluctuation necessary for this preparation process , The occurrence of a coherently coupled vacuum fluctuation could therefore also be interpreted as causing a synchronous folding over of the spins of the two subsystems. Eq. (33), however, should not be interpreted in such a way that it first determines which virtual energy representation has been realized and thereafter a coherently coupled vacuum fluctuation occurs. Virtual energetic representations can only be spoken in a formal sense in order to describe the process of a coherently coupled vacuum fluctuation. It can only be said of the energetic representations that one of the possible energetic representations is physically realized via a coherently coupled vacuum fluctuation.

Ganz analog lässt sich die Situation beschreiben, wenn ein energetisch repräsentiertes Quantensystem im Singulett-Zustand Ψ in ein elementares Quantensystem, durch Austreten der Teilsysteme aus den statischen Magnetfeldern oder durch Ausschalten der Magnetfelder, überführt wird. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass die tatsächlich realisierte energetische Repräsentation dann als zusätzliche Randbedingung in Erscheinung tritt. Über die tatsächlich realisierte energetische Repräsentation wird dann festgelegt, welches Teilsystem ein Photon an das Vakuum abgibt und welches ein virtuelles Photon aus dem Vakuum aufnimmt.The situation can be described quite analogously if an energetically represented quantum system in the singlet state Ψ - is transformed into an elementary quantum system, by exiting the subsystems from the static magnetic fields or by switching off the magnetic fields. However, this is too Note that the actually realized energetic representation then appears as an additional boundary condition. The actually realized energetic representation then determines which subsystem a photon emits to the vacuum and which picks up a virtual photon from the vacuum.

Treffen diese Überlegungen zu, so kann man für ein elementares Quantensystem im Zustand Ψ31 das Auftreten einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation mit Eintritt der Teilsysteme in die jeweiligen statischen Magnetfelder anhand des sich ergebenden energetisch repräsentierten Zustands nicht von dem Fall unterscheiden, wenn die beiden Magneten ML und MR erst dann einschaltet werden, sobald die Teilsysteme den Übergangsbereich der jeweiligen Magneten passiert haben, da sich dann in beiden Fällen, bis auf eine nicht beobachtbare globale Phase, der bezüglich der Quantisierungsachse z' = z energetisch repräsentierte Zustand Ψ30 ergibt. Solange sich beide Teilsysteme im homogenen Bereich der Magneten ML und MR befinden, bleibt der Zustand Ψ30 unverändert, da BzR = BzL = BZ. Wie die zeitliche Entwicklung der Phase eines Spin ½ Systems quantenphysikalisch beschrieben werden kann, wird in [36] angegeben. Möchte man sicherstellen, dass mit dem Austritt der Teilsysteme aus den jeweiligen Magnetfeldern der longitudinale Stern-Gerlach-Effekt auftritt, so kann dieses beispielsweise dadurch sichergestellt werden, dass man die Längen LML und LMR gemäß LMR > (Δtviru + LML) (34) wählt. Da sich dann das Teilsystem SR noch innerhalb des Magnetfeldes befindet, wenn das Teilsystem SL das Magnetfeld bereits wieder verlassen hat, entwickeln sich nun die Phasen der beiden Zustandsanteilen unterschiedlich. Wie man leicht nachprüft, liegt das Quantensystem nachdem beide Teilsysteme die jeweiligen Magnetfelder wieder verlassen haben dann im Zustand Ψ35 = 1/21/2e–iθ/2(|–z,+z> – e|+z,–z>), (35) mit θ = 2πΔEzΔtMRL/h und ΔtMRL = (LMR – LML)/u von Wählt man ΔEz und ΔtMRL so, dass gilt: ΔEzΔtMRL/h = 1, (36) so liegt das Quantensystem, nachdem die beiden Teilsysteme die Magnetfelder verlassen haben wieder bis auf die globale Phase e–iπ = –1 im Zustand Ψ31 vor. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass der longitudinale-Stern-Gerlach-Effekt die räumlichen Zustandsanteile praktisch nicht verändert. Dass die Randbedingungen entsprechend gewählt werden können, werde ich weiter unten an einem Beispiel aufzeigen.If these considerations are correct, then for an elementary quantum system in state Ψ 31, the occurrence of a coherently coupled vacuum fluctuation with entry of the subsystems into the respective static magnetic fields can not be distinguished from the case by the resulting energetically represented state if the two magnets M L and M R are only turned on as soon as the subsystems have passed the transition region of the respective magnets, since in both cases, apart from an unobservable global phase, the state Ψ 30 which is energetically represented with respect to the quantization axis z '= z results. As long as both subsystems are in the homogeneous region of the magnets M L and M R , the state Ψ 30 remains unchanged since B zR = B zL = B Z. How the temporal evolution of the phase of a spin ½ system can be described by quantum physics is given in [36]. If one wishes to ensure that the longitudinal Stern-Gerlach effect occurs with the exit of the subsystems from the respective magnetic fields, this can be ensured, for example, by determining the lengths L ML and L MR according to FIG L MR > (Δt vir u + L ML ) (34) chooses. Since the subsystem S R is then still within the magnetic field, when the subsystem S L has already left the magnetic field again, the phases of the two state components now develop differently. It is easy to verify that the quantum system is in the state after both subsystems have left the respective magnetic fields Ψ 35 = 1/2 1/2 e -iθ / 2 (| -z, + z> -e iθ | + z, -z>), (35) With θ = 2πΔE z Δt MRL / h and Δt MRL = (L MR -L ML ) / u By choosing ΔE z and Δt MRL such that .DELTA.E z .DELTA.t MRL / h = 1, (36) Thus, after the two subsystems have left the magnetic fields, the quantum system is again up to the global phase e -iπ = -1 in state Ψ 31 . The prerequisite for this, however, is that the longitudinal star Gerlach effect practically does not change the spatial state components. That the boundary conditions can be selected accordingly, I will show below an example.

Sobald sich nicht mehr alle Teilsysteme im Magnetfeld Bz befinden, kann natürlich nicht mehr davon gesprochen werden, dass das gesamte Quantensystem energetisch repräsentiert ist. Da für die Teilsysteme die sich noch innerhalb des Magnetfeldes Bz befinden, die diesen im Spin-Freiheitsgrad zuzuordnenden Energien, weiterhin über die für das gesamte Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen beschrieben werden, möchte ich diese Quantensysteme als „teilweise energetisch repräsentiert” bezeichnen.Of course, as soon as all subsystems are no longer in the magnetic field B z , it can no longer be said that the entire quantum system is energetically represented. As for the subsystems that are still within the magnetic field B z which denote this attributable to the spin degree of freedom energies be further described on the potential for the entire quantum system energetic representations, I want "represents partially energetically" this quantum systems as well.

Da im Folgenden immer die z-Achse die Quantisierungsrichtung der betrachteten Quantensysteme, sowie die der verwendeten Spin-Analysatoren festlegt, möchte ich wieder, um die Schreibweise vereinfachen zu können, auf die bereits im III. Abschnitt eingeführte Schreibweise zurückgreifen. Der energetisch höher liegende Zustand |+z> soll somit wieder mit |0> und der energetisch tiefer liegende Zustand |–z> mit |1> bezeichnet werden.Since, in the following, the z-axis always defines the quantization direction of the quantum systems under consideration as well as those of the spin analyzers used, in order to simplify the notation, I would like to refer to the III. Refer to section introduced notation. The energetically higher state | + z> should therefore again be denoted by | 0> and the lower-lying state | -z> by | 1>.

Geht man noch einen Schritt weiter, so liegt die Annahme nahe, dass eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation unter den oben angegebenen Randbedingungen ganz allgemein, auch für Quantensysteme die aus mehr als zwei Teilsystemen bestehen, möglich ist, sofern den betreffenden Teilsystemen der Zustandsvektor Ψ zumindest als inhärente Eigenschaft zugeordnet werden kann. Diese Annahme Lässt sich dann in Form des Postulats (P1) wie folgt formulieren:
(P1): Für ein Quantensystem das aus mindestens zwei Teilsystemen besteht, kann zwischen zwei Teilsystemen im Spin-Freiheitsgrad mittels einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation die Energie μBz ausgetauscht werden, wenn diesen Teilsystemen des Quantensystems im Spin-Freiheitsgrad sowohl die Energie μBz als auch die Energie –μBz, über die für das Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen, zugeordnet werden kann und zur Beschreibung der Zustandsanteile, in dem diesen Teilsystemen zugeordneten Unterraum, der Basisvektor Ψ erforderlich ist.
One goes one step further, so the assumption is obvious that a coherently-coupled vacuum fluctuation in general, under the above conditions, which consist of Quantum systems comprising more than two sub-systems, is possible if the subsystems relevant to the state vector Ψ - at least as inherent property can be assigned. This assumption can then be formulated in the form of the postulate (P1) as follows:
(P1): For a quantum system consisting of at least two subsystems, the energy μB z can be exchanged between two subsystems in the spin degree of freedom by means of a coherently coupled vacuum fluctuation, if the energy of these subsystems of the quantum system in the spin degree of freedom both the energy μB z and the energy -μB z , about the energetic representations possible for the quantum system, can be assigned and to describe the state components in which these subsystems associated subspace, the base vector Ψ - is required.

Dabei ist zu beachten, dass über eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation per Definition immer nur diejenigen energetischen Repräsentationen eines Quantensystems zugänglich sind, über die den betreffenden Teilsystemen unterschiedliche Energien im Spin-Freiheitsgrad zugeordnet werden. Sind für ein aus mehr als zwei Teilsystemen bestehenden Quantensystem prinzipiell auch energetische Repräsentationen möglich, bei denen den betreffenden Teilsystemen identische Energien zugeordnet werden, so können diese energetischen Repräsentationen natürlich nicht aus kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen hervorgehen.It should be noted that, via a coherently coupled vacuum fluctuation by definition, only those energetic representations of a quantum system are accessible by which different energies in the spin-degree of freedom are assigned to the respective subsystems. If energy representations are possible for a quantum system consisting of more than two subsystems, in which identical energies are assigned to the subsystems concerned, these energetic representations can not of course arise from coherently coupled vacuum fluctuations.

Nach Postulat (P1) ist zwar eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation für ein Quantensystem im Zustand Ψ31 möglich, nicht jedoch für ein Quantensystem im Zustand |0,1> oder |1,0>. Denn: Befindet sich ein Quantensystem beispielsweise im Zustand |1,0>, so lässt sich dieser bezüglich der Basis (B2) schreiben als: |1,0> = 1/21/2 21 + Ψ+ 21) (37) According to postulate (P1), a coherently coupled vacuum fluctuation is possible for a quantum system in state Ψ 31 , but not for a quantum system in state | 0,1> or | 1,0>. Because: If, for example, a quantum system is in the state | 1,0>, then it can be written with respect to the base (B2) as: | 1,0> = 1.2 2.1- Ψ + 21 + 21) (37)

Um den Zustand |1,0> bezüglich der Basis (B2) beschreiben zu können, ist somit zwar der Zustandsvektor Ψ erforderlich, allerdings kann den beiden Teilsystemen im Spin-Freiheitsgrad nicht sowohl die Energie μBz als auch die Energie –μBz' über die für das Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen, zugeordnet werden, da die einzige mögliche energetische Repräsentation für ein Quantensystem im Zustand |1,0> gegeben ist durch: „Der Spin-Freiheitsgrad des Teilsystems SL hat, sobald sich das Teilsystem in dem Magnetfeld Bz befindet, die Energie Espin = –μBz und der Spin-Freiheitsgrad des Teilsystems SR hat, sobald sich das Teilsystem in dem Magnetfeld Bz befindet, die Energie Espin = +μBz”. Nach Postulat (P1) kann somit eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation für ein Quantensystem im Zustand |1,0> nicht auftreten.In order to be able to describe the state | 1.0> with respect to the base (B2), the state vector Ψ - is thus required, but the two subsystems in the spin-degree of freedom can not have both the energy μB z and the energy -μB z '. because the only possible energetic representation for a quantum system in the state | 1,0> is given by: "The spin degree of freedom of the subsystem S L , as soon as the subsystem is in the magnetic field B z , the energy E spin = -μB z and the spin degree of freedom of the subsystem S R , as soon as the subsystem is in the magnetic field B z , the energy E spin = + μB z ". Thus, according to postulate (P1), a coherently coupled vacuum fluctuation for a quantum system in the state | 1.0> can not occur.

Die Forderung, dass es für Teilsysteme, die mittels einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation Energie austauschen können, immer möglich sein muss, diesen sowohl die Energie μBz als auch die Energie –μBz über die für das Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen zuzuordnen, stellt somit sicher, dass es physikalisch ausgeschlossen ist, gezielt beliebige Energiemengen von einem Teilsystem an ein anderes Teilsystem mittels kohärent gekoppelter Vakuumfluktuationen übertragen zu können.The requirement that it be always possible for subsystems, which can exchange energy by means of a coherently coupled vacuum fluctuation, to assign both the energy μB z and the energy μB z to the energy representations possible for the quantum system thus ensures that that it is physically impossible to be able to selectively transfer any amount of energy from one subsystem to another subsystem by means of coherently coupled vacuum fluctuations.

Mittels kohärent gekoppelter Vakuumfluktuationen könnte somit die Energie μBz im Spin-Freiheitsgrad zweier Spin ½ Teilchen ausgetauscht werden, ohne dass diese physikalisch in Wechselwirkung getreten sind. Kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen könnten daher die Möglichkeit eröffnen, bei verschränkten Quantensystemen das Vorliegen einer Verschränkung auch ohne einen klassischen Informationskanal erkennen zu können. Eine Möglichkeit wie dieses realisiert werden könnte, möchte ich anhand des im Abschnitt VI beschriebenen Gedankenexperiments aufzeigen. Allerdings stellt sich die Frage, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auftritt? Um diese Frage beantworten zu können, muss man berücksichtigen, dass eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation sowohl bei der Überführung eines elementaren Quantensystems in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem, als auch bei der Überführung eines energetisch repräsentierten Quantensystems in ein elementares Quantensystem auftreten kann. Weiter ist zu beachten, dass den beteiligten Teilsystemen der Zustandsanteil Ψ entweder als inhärente Eigenschaft oder als physikalisch realisierte Eigenschaft zugeordnet sein kann. Allgemein ist diese Frage daher wohl nicht zu beantworten. Allerdings gibt es Anhaltspunkte für bestimmte Fälle. Auf Grund der Überlegungen in Abschnitt VII, ist es naheliegend anzunehmen, dass bei der Überführung eines elementaren Quantensystems in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem, bei dem die beteiligten Quantensysteme den Zustandsanteil Ψ als physikalisch realisierte Eigenschaft besitzen, eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation mit Sicherheit eintritt, wenn diese nach (P1) möglich ist. Zum anderen legen die oben ausgeführten Überlegungen die Vermutung nahe, dass für den Fall, dass den beteiligten Teilsystemen der Zustandsanteil Ψ lediglich als inhärente Eigenschaft zugeordnet werden kann, eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation nur bei der Überführung eines energetisch repräsentierten Quantensystems in ein elementares Quantensystem auftreten kann, da für diese Quantensysteme wohl nur über die tatsächlich realisierten energetischen Repräsentationen des Quantensystems die notwendigen Randbedingungen für das Auftreten einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation geschaffen werden können. Diese Vermutung lässt sich einfach anhand des im Abschnitt VI beschriebenen Gedankenexperimentes überprüfen. Hierzu muss lediglich die Länge LM4 des Magnetfeldes M4 variiert werden. Wird LM4 gemäß Gl. (41) gewählt, so dürfte eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation in dem in Abschnitt VI beschriebenen Gedankenexperiment nur dann auftreten, wenn die Vermutung nicht zutrifft. Ist die Vermutung jedoch korrekt, so sollte eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auftreten, wenn gilt: LM1 = LM4 und das dort beschriebene Gedankenexperiment sollte dann erfolgreich durchgeführt werden können.By means of coherently coupled vacuum fluctuations, the energy μB z could thus be exchanged in the spin-degree of freedom of two spin ½ particles, without these having interacted physically. Coherently coupled vacuum fluctuations could therefore open up the possibility of being able to detect the presence of entanglement even without a classical information channel in entangled quantum systems. I would like to show how this could be realized using the thought experiment described in Section VI. However, the question arises with what probability a coherently coupled vacuum fluctuation occurs? To answer this question, one must consider that a coherently coupled vacuum fluctuation can occur both in the transformation of an elementary quantum system into an energetically represented quantum system and in the transformation of an energetically represented quantum system into an elementary quantum system. It should also be noted that the state component Ψ - can be assigned to the participating subsystems either as an inherent property or as a physically realized property. In general, therefore, this question can not be answered. However, there are clues for specific cases. On the basis of the considerations in Section VII, it is natural to assume that the transfer of an elementary quantum system into an energetically represented quantum system in which the quantum systems involved possess the state component Ψ - as a physically realized property, will certainly lead to a coherently coupled vacuum fluctuation if this is possible after (P1). On the other hand, the above considerations suggest that if the state component Ψ - can only be assigned as an inherent property to the participating subsystems, a coherently coupled vacuum fluctuation can occur only in the transformation of an energetically represented quantum system into an elementary quantum system since, for these quantum systems, the necessary boundary conditions for the occurrence of a coherently coupled vacuum fluctuation can probably only be created by means of the actually realized energetic representations of the quantum system. This assumption can easily be verified by means of the thought experiment described in Section VI. For this, only the length L M4 of the magnetic field M 4 has to be varied. If L M4 is calculated according to Eq. (41), a coherently coupled vacuum fluctuation in the thought experiment described in Section VI is likely to occur only if the assumption is incorrect. However, if the assumption is correct, a coherently coupled vacuum fluctuation should occur if: L M1 = L M4 and the thought experiment described there should then be able to be carried out successfully.

Sofern es möglich ist, dass beispielsweise der longitudinale Stern-Gerlach-Effekt in Konkurrenz zu dem Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation treten kann, tritt eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation dann nicht mehr mit Sicherheit ein, wenn diese nach Postulat (P1) möglich ist. Die Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation wäre dann < 1. If it is possible, for example, that the longitudinal Stern-Gerlach effect can compete with the process of coherently coupled vacuum fluctuation, a coherently coupled vacuum fluctuation will no longer occur with certainty if this is possible after postulate (P1). The probability of occurrence of a coherently coupled vacuum fluctuation would then be <1.

Da die folgenden Überlegungen auch auf den Fall übertragen werden können, wenn die Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation < 1 ist, die Argumentation aber besonders einfach gehalten werden kann, wenn man annimmt, dass eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation unter den oben beschriebenen Randbedingungen mit Sicherheit eintritt, möchte ich in dem in Abschnitt VI beschriebenen Gedankenexperiment annehmen, dass eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation immer dann mit Sicherheit eintritt, wenn diese nach (P1) möglich ist.

  • VI. Ein Gedankenexperiment zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung: Eine wesentliche Voraussetzung für das im Folgenden vorgeschlagene Gedankenexperiment ist, dass eines der beiden Teilsysteme S1 oder S2 (hier das Teilsystem S1) so mit einem lokalen, statischen Magnetfeld wechselwirken kann (siehe ), dass für ein Quantensystem im Zustand Ψ31, nachdem das Teilsystem S1 das lokale Magnetfeld wieder verlassen hat, der Zustand erhalten bleibt. Im Wesentlichen entspricht der in dargestellte Aufbau dem im EPR-Bohm-Gedankenexperiment (siehe ) verwendeten Aufbau. Die Quelle Q2/1 emittiert ein aus zwei Spin ½ Systemen zusammengesetztes Quantensystem im Zustand Ψ31. Wobei sich die beiden Teilsysteme S1 und S2 wieder auf einer geraden Linie entlang der x-Achse in entgegengesetzter Richtung mit betragsmäßig derselben Geschwindigkeit u von der Quelle Q2/1 entfernen. Entlang der x-Achse ist im Abstand A1 rechts von der Quelle ein Magnete M1 angeordnet. Dieser besitzt ein homogenes Magnetfeld Bz. Der Bereich mit homogenem Magnetfeld soll für den Magneten M1 die Länge LM1 haben. Die Übergangsbereiche vom feldfreien Raum in den Bereich mit dem homogenen Magnetfeld Bz sollen die Länge ΔsB haben. Mit ΔtB = ΔsB/u sei wieder die Flugzeit bezeichnet, die das Teilsysteme S1 benötigt um die Strecke ΔsB zu durchfliegen. Die für die Zustandsanalyse der Teilsysteme S1 und S2 benötigten Zustandsanalysatoren sind mit SA1 bzw. SA2 bezeichnet. Die Quantisierungsrichtung der Zustandsanalysatoren SA1 und SA2 ist ebenfalls die z-Achse. Der Einfluss eines lokalen, konstanten Magnetfeldes auf den Zustand Ψ31 wird in [37] für den hier relevanten Fall, wenn das lokale Magnetfeld nur mit einem Teilsystem (hier dem Teilsystem S1) wechselwirkt, diskutiert. In welchen Zustand der Zustand Ψ31 überführt wird, wenn das Teilsystem S1 mit dem lokalen Magnetfeld Bz wechselwirkt, hängt von den jeweiligen Randbedingungen ab. Für eine realitätsnahe Beschreibung ist es erforderlich, die Geschwindigkeitsverteilung mit der die betrachteten Teilsysteme die Quelle Q2/1 verlassen und die durch die räumliche Lokalisierung der Teilsysteme in der Quelle bedingte minimale Geschwindigkeitsunschärfe zu berücksichtigen. Im Folgenden soll daher immer die Randbedingung (R2) erfüllt sein: ΔtB ≤ Δtmax = h/(4πΔEz/2) (R2.1) (u0 – ΔuQ/2) < u < (u0 + ΔuQ/2), mit ΔuQ > 0 und ΔuQ < 10–3u0 (R2.2) ΔsB » A110–3 (R2.3) |ΔuMH| < 10–2Δumin < ΔuQ (R2.4) flamΔtMB1 ≤ 2, mit flam = ΔEz/h und ΔtMB1 = (LM1 + ΔSB)/u, (R2.5) wobei mit u0 die mittlere Geschwindigkeit der Teilsysteme, mit ΔuQ das Intervall in dem die Geschwindigkeit u variiert, mit ΔuMH die, mit dem Eintritt des Teilsystems S1 in das Magnetfeld Bz, aufgrund des longitudinalen Stern-Gerlach-Effektes bedingte Geschwindigkeitsänderung, mit Δumin die über die Unschärferelation für Ort und Impuls bedingte minimale Geschwindigkeitsunschärfe für die Teilsysteme S1 und S2, mit flam die Lamorfrequenz und mit ΔtMB1 die effektive Zeit die das Teilsystem S1 benötigt, um das Magnetfeld Bz zu durchqueren, bezeichnet sei.
Since the following considerations can also be applied to the case where the probability of occurrence of coherently coupled vacuum fluctuation is <1, the argument can be made particularly simple by assuming that a coherently coupled vacuum fluctuation under the boundary conditions described above In the first thought experiment described in Section VI, I would like to assume that a coherently coupled vacuum fluctuation will always occur with certainty if this is possible according to (P1).
  • VI. A thought experiment for interaction-free information transfer: An essential prerequisite for the thought experiment proposed below is that one of the two subsystems S 1 or S 2 (here the subsystem S 1 ) can interact with a local, static magnetic field (see ) that for a quantum system in the state Ψ 31 , after the subsystem S 1 has left the local magnetic field again, the state is maintained. Essentially, the in shown structure in the EPR Bohm thought experiment (see ) used construction. The source Q 2/1 emits a composite of two spin ½ systems quantum system in the state Ψ 31st Where the two subsystems S 1 and S 2 again on a straight line along the x-axis in the opposite direction with magnitude the same speed u from the source Q 2/1 remove. Along the x-axis, a magnet M 1 is arranged at the distance A 1 to the right of the source. This has a homogeneous magnetic field B z . The homogeneous magnetic field should have the length L M1 for the magnet M 1 . The transition areas from the field-free space to the area with the homogeneous magnetic field B z should have the length Δs B. With Δt B = Δs B / u again the flight time is called, which requires the subsystems S 1 to fly through the distance Δs B. The state analyzers required for the state analysis of the subsystems S 1 and S 2 are designated SA 1 or SA 2 . The quantization direction of the state analyzers SA 1 and SA 2 is also the z-axis. The influence of a local, constant magnetic field on the state Ψ 31 is discussed in [37] for the case relevant here, when the local magnetic field interacts with only one subsystem (here the subsystem S 1 ). Is in which state of the state Ψ transferred 31 when the subsystem S 1 with the local magnetic field B z interacts depends on the respective boundary conditions. For a realistic description, it is necessary to leave the velocity distribution with the considered subsystems the source Q 2/1 and to take into account the minimum velocity uncertainty caused by the spatial localization of the subsystems in the source. In the following, therefore, always the boundary condition (R2) should be fulfilled: Δt B ≤ Δt max = h / (4πΔE z / 2) (R2.1) (u 0 -Δu Q / 2) <u <(u 0 + Δu Q / 2), with Δu Q > 0 and Δu Q <10 -3 u 0 (R2.2) Δs B »A 1 10 -3 (R2.3) | Δu MH | <10 -2 Δu min <Δu Q (R2.4) f lam Δt MB1 ≤ 2, with f lam = ΔE z / h and Δt MB1 = (L M1 + ΔS B ) / u, (R2.5) where with u 0 the average velocity of the subsystems, with Δu Q the interval in which the velocity u varies, with Δu MH the, with the entry of the subsystem S 1 in the magnetic field B z, due to the longitudinal Stern-Gerlach effect speed change , where Δu min is the minimum velocity uncertainty for the subsystems S 1 and S 2 due to the uncertainty relation for location and momentum, where f lam is the Lamor frequency and Δt MB1 is the effective time required by the subsystem S 1 to traverse the magnetic field B z , is designated.

Wie man leicht nachprüft, wird dann der Zustand Ψ31 durch den Einfluss des Magneten M1 auf das Teilsystem S1 in guter Näherung in den reinen Zustand Ψ38 = 1/21/2e–iθ/2(|1,0> – e–iθ|0,1>), (38) mit θ = 2πflamΔtMB1 überführt. Wählt man flam und ΔtMB1 so, dass gilt: flamΔtMB1 = 1, (39) so erhält man wieder bis auf die globale Phase den Zustand Ψ31. Die Phase e ergibt sich, da für das magnetische Moment μ hier generell angenommen wurde, dass dieses anti-parallel zum Spin ausgerichtet ist (siehe oben). Ist das magnetische Moment parallel zum Spin ausgerichtet, so ergibt sich die Phase e–iθ. Die Bedingung (R2.1) entspricht der Bedingung (R1.1). Die Bedingung (R2.2) beschreibt die durch die Quelle Q bedingte Geschwindigkeitsverteilung der Teilsysteme und stellt zusammen mit Bedingung (R2.3) sicher, dass ΔtB wesentlich größer ist, als die durch die Geschwindigkeitsverteilung bedingten Unterschiede in den Eintrittszeiten der Teilsysteme S1 in den Übergangsbereich des Magneten M1. Da über Bedingung (R2.4) und (R2.5) sichergestellt ist, dass der räumliche Anteil des Zustands nahezu unverändert erhalten bleibt, möchte ich diesen auch weiterhin unterdrücken. Die Abweichungen der Amplituden der Anteile |0,1> und |1,0> sind unter diesen Randbedingungen kleiner ±10–4. Die Abweichungen für den Phasenwinkel θ sind kleiner ±2,1 mrad (±0,75°).As one easily checks, then the state Ψ 31 by the influence of the magnet M 1 on the subsystem S 1 in a good approximation in the pure state Ψ 38 = 1/2 1/2 e -iθ / 2 (| 1.0> -e -iθ | 0.1>), (38) With θ = 2πf lam Δt MB1 transferred. If one chooses f lam and Δt MB1 such that f lam Δt MB1 = 1, (39) so we get back to the global phase, the state Ψ 31 . The phase e results because the magnetic moment μ was generally assumed to be anti-parallel to the spin (see above). If the magnetic moment is aligned parallel to the spin, the phase e -iθ results . The condition (R2.1) corresponds to the condition (R1.1). The condition (R2.2) describes the velocity distribution of the subsystems caused by the source Q and together with condition (R2.3) ensures that Δt B is substantially greater than the differences in the entry times of the subsystems S 1 due to the velocity distribution in the transition region of the magnet M 1 . Since it is ensured by conditions (R2.4) and (R2.5) that the spatial part of the state remains almost unchanged, I would like to continue suppressing it. The deviations of the amplitudes of the components | 0,1> and | 1,0> are smaller than ± 10 -4 under these boundary conditions. The deviations for the phase angle θ are less than ± 2.1 mrad (± 0.75 °).

Man kann sich nun natürlich fragen, ob es überhaupt möglich ist, Randbedingung (R2) zu erfüllen? Ich möchte dieses an einem einfachen Beispiel verdeutlichen:
Nimmt man an, dass das verschränkte System aus zwei 40Ca+-Ionen realisiert wird und diese in der Quelle Q während des Präparationsprozesses räumlich jeweils auf etwa 1 μm lokalisiert sind, so ergibt sich über die Unschärferelation für Ort und Impuls für die Geschwindigkeit der beiden Teilsysteme eine minimale Geschwindigkeitsunschärfe Δumin = 7,9·10–4 m/s. Der Übergangsbereich des Magneten M1 vom feldfreien Raum in den Bereich mit einem homogenen Magnetfeld Bz soll hier eine Länge von ΔsB = 0,2 mm haben. Wählt man weiter für u0 = 10.429,8 m/s und über Bedingung (R2.1): 3·ΔtB = Δtmax, so ergibt sich für ΔtB = 19 ns und ΔEz = 1,8·10–27 (1,27·10–8 eV). Für das lokale Magnetfeld Bz ergibt sich dann der Wert Bz = 1G(10–4 T). Für die durch den longitudinalen Stern-Gerlach-Effekt bedingte Geschwindigkeitsänderung erhält man den Wert ΔuMH = ±1,3·104 m/s. Wählt man für LMB1 = (LM1 + ΔsB) = 3,57 mm, so ergibt sich für die Phase e = 1, da θ dann gerade den Wert 2π annimmt. Die Quelle Q könnte über die in [17] beschriebene lineare Ionenfalle realisiert werden. Hierzu müsste das der Ionenfalle (siehe ) überlagerte Magnetfeld abgeschaltet werden, nachdem die beiden Ionen in den Zustand Ψ25 präpariert wurden. Sofern die beiden an den Enden der Ionenfalle angeordneten Elektroden mit einer Bohrung (entlang der Achse der Ionenfalle) versehen sind, können die Ionen zu einem definierten Zeitpunkt mit einer definierten Geschwindigkeit aus der Ionenfalle freigesetzt werden. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die an den beiden Elektroden angelegte positive Spannung mit einer definierten zeitlichen Rampe auszuschalten. Da Spannungen heutzutage mit hoher Präzision geschaltet werden können, sollte es möglich sein, auch Bedingung (R2.2) zu erfüllen. Auch (R2.3) kann erfüllt werden, da die in [17] verwendete Ionenfalle lediglich eine Länge von etwa 3 cm hat. Da in diesem Beispiel die beiden Teilsysteme S1 und S2 eine Ladung tragen, muss, wenn das Teilsystem S1 mit dem lokalen Magnetfeld Bz des Magneten M1 wechselwirkt, der Einfluss der Lorenz-Kraft auf den Zustand des Systems mit berücksichtigt werden. Die Lorenz-Kraft tritt zwar nur über die Ladung des Teilsystems S1 mit dem Gesamtsystem in Wechselwirkung, kann aber aufgrund des longitudinalen Stern-Gerlach-Effektes, jenachdem ob das Teilsystem die Energie ΔEz/2 im Spin-Freiheitsgrad mit Eintritt in das Magnetfeld Bz aufnimmt oder abgibt, zu unterschiedlichen Wegstrecken führen, die das Teilsystem S1 in dem Magnetfeld Bz zurücklegt. Wie man jedoch leicht nachprüft, ist die hierdurch bedingte Differenz unter den hier angegebenen Randbedingungen in den Wegstrecken kleiner 3·10–19 m und damit vernachlässigbar kein. Die Randbedingung (R2) kann also, wie dieses Beispiel zeigt, erfüllt werden. Als Zustandsanalysatoren können in diesem Fall allerdings keine Stern-Gerlach-Magneten eingesetzt werden. Der Grund hierfür ist, dass die Lorenz-Kraft eine Separation der Spin-Zustände unmöglich macht. Allerdings sollte es, wie in [38] gezeigt wird, auch für geladene Teilsysteme mittels eines longitudinalen Magnetfeldes das einen Gradienten besitzt, möglich sein, den Spin-Zustand der Teilsysteme S1 und S2 nachzuweisen.
Of course, one can ask oneself whether it is even possible to fulfill the boundary condition (R2)? I would like to illustrate this with a simple example:
Assuming that the entangled system is made up of two 40 Ca + ions and spatially localized to approximately 1 μm in the source Q during the preparation process, the uncertainty relation for location and momentum gives the velocity of the two Subsystems a minimum velocity uncertainty Δu min = 7.9 · 10 -4 m / s. The transition region of the magnet M 1 from field-free space in the area with a homogeneous magnetic field B z should here have a length of Δs B = 0.2 mm. If one further chooses for u 0 = 10.429.8 m / s and over condition (R2.1): 3 · Δt B = Δt max , the result for Δt is B = 19 ns and ΔE z = 1.8 · 10 -27 (1.27 x 10 -8 eV). For the local magnetic field B z , the value B z = 1 G (10 -4 T) is then obtained. For the velocity change caused by the longitudinal Stern-Gerlach effect, the value Δu MH = ± 1.3 · 10 4 m / s is obtained. If one chooses for L MB1 = (L M1 + Δs B ) = 3.57 mm, the result for the phase e = 1 is that θ then just assumes the value 2π. The source Q could be realized by the linear ion trap described in [17]. This would require the ion trap (see ) superimposed magnetic field are switched off, after the two ions were prepared in the state Ψ 25 . If the two electrodes arranged at the ends of the ion trap are provided with a bore (along the axis of the ion trap), the ions can be released from the ion trap at a defined time at a defined speed. For this purpose, it is only necessary to switch off the positive voltage applied to the two electrodes with a defined time ramp. Since voltages can now be switched with high precision, it should be possible to fulfill condition (R2.2) as well. Also, (R2.3) can be satisfied, since the ion trap used in [17] has only a length of about 3 cm. Since in this example the two subsystems carry S 1 and S 2, a charge must, if the subsystem S 1 with the local magnetic field B z of the magnet M 1 interacts, the influence of the Lorentz force are taken into account the state of the system. Although the Lorenz force only interacts with the overall system via the charge of the subsystem S 1 , it can, due to the longitudinal Stern-Gerlach effect, depending on whether the subsystem has the energy ΔE z / 2 in the spin-degree of freedom with entry into the magnetic field B z picks up or give, lead to different distances covered by the subsystem S 1 in the magnetic field B z . However, as is easily checked, the difference between them under the boundary conditions given here in the paths is less than 3 · 10 -19 m and therefore negligible. The boundary condition (R2) can therefore, as this example shows, be fulfilled. As state analyzers, however, no Stern-Gerlach magnets can be used in this case. The reason for this is that the Lorenz force makes a separation of the spin states impossible. However, it should, as is shown in [38], also for charged subsystems by means of a longitudinal magnetic field which has a gradient, be possible to detect the spin state of the subsystems S 1 and S2.

Im Folgenden möchte ich den in dargestellten Aufbau als modifizierten EPR-Bohm-Aufbau (EPRBMM1-Aufbau) bezeichnen, wenn die Randbedingung (R2) erfüllt ist. Der Index „M1” soll dabei anzeigen, dass das Teilsystem S1 den rechts von der Quelle Q angeordneten Magneten M1 durchquert.Below I would like to see the in structure described as a modified EPR Bohm structure (EPRBM M1 structure), when the boundary condition (R2) is met. The index "M1" is intended to indicate thereby that the subsystem S 1 passes through the right ordered by the source Q M magnets. 1

zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau für ein Gedankenexperiment zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung. In dem Gedankenexperiment werden zwei modifizierte EPR-Bohm-Aufbauten EPRBMM1 und EPRBMM4 verwendet, die im Abstand d voneinander angeordnet sein sollen. Diese unterscheiden sich nur darin dass LM4 ≥ LM1 sein soll. Ansonsten sind die beiden modifizierten EPR-Bohm-Aufbauten EPRBMM1 und EPRMM4 identisch. Die rechts von den Quellen Q2/1 und Q3/4 angeordneten Magneten M1 bzw. M4 sind im Abstand A1 = A4 von den jeweiligen Quellen angeordnet. Die Magneten M1 und M4 sollen dasselbe Magnetfeld Bz und dieselbe Quantisierungsachse z besitzen. Die Zustandsanalysatoren SA1, SA2, SA3 und SA4 haben ebenfalls alle die z-Richtung als Quantisierungsachse. Die Quelle Q2,1 des Aufbaus EPRBMM1 soll die Teilsystem S2 und S1 im Zustand Ψ31 emittieren und die Quelle Q3/4 des Aufbaus EPRBMM4 soll die Teilsysteme S3 und S4 ebenfalls im Zustand Ψ31 emittieren. Alle Teilsysteme verlassen die jeweiligen Quellen mit betragsmäßig derselben Geschwindigkeit u. Werden die beiden Quellen Q2,1 und Q3,4 zeitlich synchron betrieben, so erreichen die Teilsysteme S1 und S4 gleichzeitig die Magneten M1 bzw. M4. Um mit Sicherheit ausschließen zu können, dass mit Eintritt der Teilsysteme in die einzelnen Zustandsanalysatoren eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auftreten kann, sollten die Abstände der Zustandsanalysatoren zu den entsprechenden Quellen geeignet gewählt werden (siehe hierzu auch die Bemerkungen zu Gl. (41)). Ich möchte im Folgenden annehmen, dass die beiden Quellen an zuvor festgelegten Zeitpunkten gleichzeitig jeweils ein, aus den beiden Teilsystemen S1 und S2 bzw. S3 und S4 bestehendes System im Zustand Ψ31 emittieren. schematically shows the basic structure for a thought experiment for interaction-free information transmission. In the thought experiment two modified EPR-Bohm abutments EPRBM M1 and EPRBM M4 are used, which should be arranged at a distance d from each other. These differ only in that L M4 ≥ L M1 should be. Otherwise the two modified EPR-Bohm abutments EPRBM M1 and EPRM M4 are identical. The magnets M 1 and M 4 arranged to the right of the sources Q 2/1 and Q 3/4 are arranged at a distance A 1 = A 4 from the respective sources. The magnets M 1 and M 4 should have the same magnetic field B z and the same quantization axis z. The state analyzers SA 1 , SA 2 , SA 3 and SA 4 also all have the z-direction as the quantization axis. The source Q 2,1 of the construction EPRBM M1 the subsystem S 2 and S 1 should emit in the state Ψ 31 and the source Q 3/4 of the structure EPRBM M4 should also emit the subsystems S 3 and S 4 in the state Ψ 31 . All subsystems leave the respective sources with the same speed u. If the two sources Q 2,1 and Q 3,4 are operated synchronously in time, the subsystems S 1 and S 4 simultaneously reach the magnets M 1 and M 4, respectively. In order to be able to exclude with certainty that a coherently coupled vacuum fluctuation can occur when the subsystems enter the individual state analyzers, the distances of the state analyzers to the corresponding sources should be selected appropriately (see also the remarks on Eq. (41)). In the following, I assume that the two sources simultaneously emit a respective system consisting of the two subsystems S 1 and S 2 or S 3 and S 4 in state Ψ 31 at previously defined times.

Nach den Überlegungen in Abschnitt V gibt es nun zwei Möglichkeiten wie das Gedankenexperiment realisiert werden könnte:
Variante 1: Der Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation kann sowohl beim Eintritt als auch beim Austritt der Teilsysteme S1 und S4 aus den Magnetfeldern M1 und M4 auftreten. In diesem Fall müsste LM4 > LM1 (unter Berücksichtigung von Gl. (41)) gewählt werden, damit der Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation nur beim Eintreten der Teilsysteme in die Magnetfelder auftreten kann.
Oder:
Variante 2: Der Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation kann nur beim Austreten der Teilsysteme S1 und S4 aus den Magnetfeldern M1 und M4 auftreten. In diesem Fall müsste LM4 = LM1 gewählt werden.
Following the considerations in Section V, there are two ways in which the thought experiment could be realized:
Variant 1: The process of the coherently coupled vacuum fluctuation can occur both at the entry and at the exit of the subsystems S 1 and S 4 from the magnetic fields M 1 and M 4 . In this case, L M4 > L M1 (taking Eq. (41)) must be chosen so that the process of coherently coupled vacuum fluctuation can occur only when the subsystems enter the magnetic fields.
Or:
Variant 2: The process of coherently coupled vacuum fluctuation can only occur when the subsystems S 1 and S 4 emerge from the magnetic fields M 1 and M 4 . In this case, L M4 = L M1 would have to be selected.

Da es nach den bisherigen Überlegungen nicht möglich ist, zu entscheiden für welche Variante das Gedankenexperiment erfolgreich durchgeführt werden kann, möchte ich beide Varianten kurz beschreiben. Zuerst möchte ich das Gedankenexperiment für den Fall erläutern, dass dieses gemäß Variante 1 realisiert werden kann:
Im Aufbau EPRBMM1 und EPRBMM4 seien die Längen LM1 bzw. LM4 so gewählt, dass gilt: flamΔtMB1 = 1 und flamΔtMB4 = 2 (40) mit: ΔtMB1 = (LM1 + ΔsB)/u und ΔtMB4 = (LM4 + ΔsB)/u.
Since it is not possible to decide for which variant the thought experiment can be carried out successfully, I would like to briefly describe both variants. First, I would like to explain the thought experiment in case it can be realized according to variant 1:
In the structure EPRBM M1 and EPRBM M4 , the lengths L M1 and L M4 are selected such that the following applies: f lam Δt MB1 = 1 and f lam Δt MB4 = 2 (40) With: Δt MB1 = (L M1 + Δs B ) / u and Δt MB4 = (L M4 + Δs B ) / u.

Hierdurch ist unter Einhaltung der Randbedingung (R2) sichergestellt, dass die durch den longitudinalen Stern-Gerlach-Effekt bedingte Phase e in Gl. (38), sowohl für das aus den Teilsystemen S1 und S2 bestehende Quantensystem im Zustand Ψ38, als auch für das aus den Teilsystemen S3 und S4 bestehende Quantensystem im Zustand Ψ38 den Wert e = 1 annimmt. Weiter soll gelten: (LM4 – LM1) ≥ Δtviru (41) As a result, it is ensured in compliance with the boundary condition (R2) that the phase e.sub.i.sub.θ caused by the longitudinal Stern-Gerlach effect in Eq. (38), both for the existing of the subsystems S 1 and S 2 quantum system in the state Ψ 38 , as well as for the existing of the subsystems S 3 and S 4 quantum system in the state Ψ 38, the value e = 1 assumes. Next should apply: (L M4 - L M1 ) ≥ Δt vir u (41)

Hierdurch wird sichergestellt, dass mit dem Austritt der Teilsysteme S1 und S4 aus den jeweiligen Magnetfeldern der longitudinale Stern-Gerlach-Effekt auftritt und somit mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann, dass die Teilsysteme über eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation in Wechselwirkung treten können.This ensures that with the exit of the subsystems S 1 and S 4 from the respective magnetic fields of the longitudinal Stern-Gerlach effect occurs and thus can be ruled out with certainty that the subsystems can interact via a coherently coupled vacuum fluctuation.

Den Betreiber des Aufbaus EPRBMM1 möchte ich als „Alice” und den Betreiber des Aufbaus EPRBMM4 als „Bob” bezeichnen. Weiter möchte ich annehmen, dass zwischen Alice und Bob ein Übertragungsprotokoll in der Art vereinbart wurde, dass Alice in zuvor festgelegten Zeitintervallen Ihre Quelle Q2/1, abweichend von den zuvor für den synchronen Betrieb vereinbarten Zeitpunkten, auch asynchron zu der Quelle Q3/4 von Bob betreiben kann, wenn Sie dieses möchte. Dasselbe soll für Bob gelten, wobei die vereinbarten Zeitintervalle sich nicht überlappen sollen und die Quellen Q2/1 und Q3/4 für den asynchronen Betrieb mindestens um das Intervall gegeneinander zeitlich verzögert die betreffenden Teilsysteme emittieren sollen. Danach soll es zwischen den Aufbauten EPRBMM1 und EPRBMM4 keinerlei physikalische Wechselwirkungen mehr geben. Es soll somit auch keinerlei klassischen Informationsaustausch zwischen Alice und Bob mehr geben.I would like to call the operator of the EPRBM M1 body "Alice" and the operator of the EPRBM M4 body "Bob". Furthermore, I would like to assume that between Alice and Bob a transmission protocol has been arranged in such a way that Alice, at predetermined time intervals, also sources Q 2/1 , asynchronous from the source Q 3 , deviating from the times previously agreed for synchronous operation. 4 of Bob if you want this. The same shall apply to Bob, whereby the agreed time intervals should not overlap and the sources Q 2/1 and Q 3/4 for the asynchronous operation should emit the respective subsystems at least by the interval against each other with a time delay. According to this, there should be no physical interaction between the EPRBM M1 and EPRBM M4 bodies. There should be no classical exchange of information between Alice and Bob anymore.

Da die Aufbauten EPRBMM1 und EPRBMM4 danach als physikalisch unabhängige Systeme betrachtet werden können, ist der quantenphysikalische Zustand des aus den vier Teilsystemen S1, S2, S3 und S4 bestehenden Gesamtsystems, wenn die Quelle Q2/1 die Teilsysteme S1 und S2 im Zustand Ψ31 emittiert und die Quelle Q3/4 die Teilsysteme S3 und S4 im Zustand Ψ31 emittiert, durch Ψ 43/21 mit Ψ 43/21 = Ψ 43 × Ψ 21 (42) mit: Ψ 43 = 1/21/2(|1>4|0>3 – |0>4|1>3) Ψ 21 = 1/21/2(|1>2|0>1 – |0>2|1>1) gegeben. Wobei die Indizes „1”, „2” „3” und „4” die jeweiligen Teilsysteme bezeichnen. Für die, für die Zustandsanalyse herangezogenen, Spin-Analysatoren SA1, SA2, SA3 und SA4 sollten sich daher, unabhängig davon, ob die Quellen Q2/1 und Q3/4 synchron oder asynchron betrieben werden, die in Tabelle 1 angegebenen Messwerte ergeben.Since the structures EPRBM M1 and EPRBM M4 can be considered as physically independent systems thereafter, the quantum physical state of the total system consisting of the four subsystems S 1 , S 2 , S 3 and S 4 when the source Q 2/1 is the subsystems S 1 and S 2 emitted in the state Ψ 31 and the source Q 3/4, the subsystems S 3 and S 4 in the state Ψ 31 emitted by Ψ - 43/21 with Ψ - 43/21 = Ψ - 43 × Ψ - 21 (42) With: Ψ - 43 = 1/2 1/2 (| 1> 4 | 0> 3 - | 0> 4 | 1> 3 ) Ψ - 21 = 1/2 1/2 (| 1> 2 | 0> 1 - | 0> 2 | 1> 1 ) given. Where the indices "1", "2", "3" and "4" denote the respective subsystems. For the spin analyzers SA 1 , SA 2 , SA 3 and SA 4 used for the state analysis, therefore, regardless of whether the sources Q 2/1 and Q 3/4 are operated synchronously or asynchronously, the values shown in Table 1 given measured values.

Das Messergebnis 0 (1) bedeutet, dass das jeweilige Teilsystem mit der Messung im energetisch höher liegenden (energetisch tiefer liegenden) Zustand |0> (|1>) nachgewiesen wird (wenn als Zustandsanalysatoren die oben beschriebenen Stern-Gerlach-Magneten eingesetzt werden, in die Richtung +z (–z) abgelenkt wird). Die für Alice, über die Spin-Analysatoren SA1 und SA2, zugänglichen Messwerte sollten somit im idealen Fall immer streng anti-korreliert sein. Auch die für Bob, über die Spin-Analysatoren SA3 und SA4, zugänglichen Messwerte sollten dann im idealen Fall immer streng anti-korreliert sein.The measurement result 0 (1) means that the respective subsystem with the measurement is detected in the energetically higher (energetically lower) state | 0> (| 1>) (if the Stern-Gerlach magnets described above are used as the state analyzers, is deflected in the direction + z (-z)). The readings available to Alice via the spin analyzers SA 1 and SA 2 should therefore always be strictly anti-correlated in the ideal case. Also, the readings available to Bob, via the spin analyzers SA 3 and SA 4 , should ideally be strictly anti-correlated in the ideal case.

Welche Messwerte würde man aber erwarten, wenn Postulat (P1) zutrifft und als Folge davon zwischen den Teilsystemen S1 und S4 kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen auftreten können? Nach Postulat (P1) muss, damit zwischen den Teilsystemen S1 und S4 eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auftreten kann, beiden Teilsystemen sowohl die Energie μBz als auch die Energie –μBz im Spin-Freiheitsgrad über die für das Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen zugeordnet werden können. Dieses ist nach Tabelle I offensichtlich möglich. Weiter muss diesen Teilsystemen der Zustandsvektor Ψ zumindest als inhärente Eigenschaft in dem, diesen Teilsystemen zugeordneten, Unterraum zugeordnet werden können (der Zustandsvektor Ψ muss erforderlich sei, um den Zustandanteil der Teilsysteme S1 und S4, auf dem diesen Teilsystemen zugeordneten Unterraum, bezüglich der Basis (B2) beschreiben zu können). Nun lässt sich der Zustand Ψ 43/21 umschreiben zu Ψ 43/21 = 1/41/2+ 41/32 – Φ+ 41/32 + Ψ 41/32 + Φ 41/32} (43) mit: Ψ+ 41/32 = 1/21/2{|1>4Ψ+ 32|0>1 + |0>4Ψ32|1>1} Φ+ 41/32 = 1/21/2{|0>4Φ+ 32|0>1 + |>4Φ+ 32|1>1} Φ 41/32 = 1/21/2{|0>4Φ 32|0>1 – |1>4Φ 32|1>1} Ψ 41/32 = 1/21/2{|1>4Ψ 32|0>1 – |0>4Ψ 32|1>1} und: Ψ+ 32 = 1/21/2(|1>3|0>2 + |0>3|1>2) Φ+ 32 = 1/21/2(|0>3|0>2 + |1>3|1>2) Ψ 32 = 1/21/2(|1>3|0>2 – |0>3|1>2) Φ 32 = 1/21/2(|0>3|0>2 – |1>3|1>2). However, which measured values would one expect if postulate (P1) is true and as a consequence of this coherent coupled vacuum fluctuations can occur between subsystems S 1 and S 4 ? According to postulate (P1), in order for a coherently coupled vacuum fluctuation to occur between the subsystems S 1 and S 4 , both subsystems must be assigned both the energy μB z and the energy μB z in the spin degree of freedom via the energetic representations possible for the quantum system can be. This is obviously possible according to Table I. Furthermore, these subsystems must be able to assign the state vector Ψ - at least as an inherent property in the subspace allocated to these subsystems (the state vector Ψ - must be required to determine the state component of the subsystems S 1 and S 4 , on the subspace allocated to these subsystems, to be able to describe the basis (B2)). Now you can rewrite the state Ψ - 43/21 Ψ - 43/21 = 1/4 1/2+ 41/32 - Φ + 41/32 + Ψ - 41/32 + Φ - 41/32 } (43) With: Ψ + 41/32 = 1/2 1/2 {| 1> 4 Ψ + 32 | 0> 1 + | 0> 4 Ψ 32 | 1> 1 } Φ + 41/32 = 1/2 1/2 {| 0> 4 Φ + 32 | 0> 1 + |> 4 Φ + 32 | 1> 1} Φ - 41/32 = 1/2 1/2 {| 0> 4 Φ - 32 | 0> 1 - | 1> 4 Φ - 32 | 1> 1 } Ψ - 41/32 = 1/2 1/2 {| 1> 4 Ψ - 32 | 0> 1 - | 0> 4 Ψ - 32 | 1> 1 } and: Ψ + 32 = 1/2 1/2 (| 1> 3 | 0> 2 + | 0> 3 | 1> 2 ) Φ + 32 = 1/2 1/2 (| 0> 3 | 0> 2 + | 1> 3 | 1> 2 ) Ψ - 32 = 1/2 1/2 (| 1> 3 | 0> 2 - | 0> 3 | 1> 2 ) Φ - 32 = 1/2 1/2 (| 0> 3 | 0> 2 - | 1> 3 | 1> 2 ).

Nach Gl. (43) ist dieses offensichtlich möglich. Somit kann nach Postulat (P1) zwischen den Teilsystemen S1 und S4 eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auftreten. Dasselbe gilt natürlich auch für die Teilsysteme S2 und S3.According to Eq. (43) this is obviously possible. Thus, according to postulate (P1), a coherently coupled vacuum fluctuation can occur between the subsystems S 1 and S 4 . The same naturally also applies to the subsystems S 2 and S 3 .

Ich möchte zuerst den Fall betrachten, wenn die Quellen Q2/1 und Q3/4 synchron betrieben werden. Einen Überblick über die dann für das Quantensystem möglichen Fälle der Zustandsentwicklung erhält man, wenn man die formal möglichen Fälle für die Einstellungen der Spins der einzelnen Teilsysteme betrachtet. In sind die beiden dann möglichen prinzipiell ununterscheidbaren Fälle für die Zustandsentwicklung des Zustands des Gesamtsystems dargestellt. Die Indizes „1”, „2”, „3” und „4” bezeichnen wieder die jeweiligen Teilsysteme. „+” bedeutet, dass dem entsprechenden Teilsystem ein parallel zum Magnetfeld Bz ausgerichteter Spin-Zustandsanteil zugeordnet wird und „–” bedeutet dass dem entsprechenden Teilsystem ein antiparallel zum Magnetfeld Bz ausgerichtet Spin-Zustandsanteil zugeordnet wird. Mit M1 und M4 sind wieder die Magnetfelder bezeichnet, mit denen die Teilsysteme S1 bzw. S4 in Wechselwirkung treten.I would first like to look at the case when sources Q 2/1 and Q 3/4 are operated synchronously. An overview of the cases of state development possible for the quantum system is obtained by considering the formally possible cases for the settings of the spins of the individual subsystems. In the two then possible, in principle indistinguishable cases for the state development of the state of the whole system are shown. The indices "1", "2", "3" and "4" again denote the respective ones Subsystems. "+" Means that a parallel to the magnetic field B z aligned spin state component is assigned to the corresponding subsystem and "-" means that the corresponding subsystem is assigned an antiparallel to the magnetic field B z aligned spin state component. With M 1 and M 4 , the magnetic fields are again referred to, with which the subsystems S 1 and S 4 interact.

In dem Fall (I:) kann keine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation zwischen den Teilsystemen S1 und S4 auftreten, da die den Teilsystemen zugeordneten Spin-Zustandsanteile übereinstimmen. Für diesen Fall bleibt für das Gesamtsystem der Zustandsvektor Ψ 43/21 erhalten. In dem Fall (II:) tritt jedoch eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auf und vertauscht die den Teilsystemen S1 und S4 zugeordneten Spin-Zustandsanteile. Über den in diesem Fall dem Gesamtzustand zuzuordnenden Zustandsvektor steht somit zumindest soviel fest, dass dieser auf den, durch die Teilsysteme S1 und S2 bzw. S3 und S4 definierten, Unterräumen jeweils durch die Anteile |0,0> und |1,1> beschreibbar sein muss. Die Fälle (I.) und (II.) treten somit mit einer Wahrscheinlichkeit von jeweils 50% auf. Für den Fall, dass die kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation für den Fall (II.) nicht mit Sicherheit eintritt, würde dann die Wahrscheinlichkeit für diesen Fall entsprechend abnehmen.In the case (I :), no coherently coupled vacuum fluctuation between the subsystems S 1 and S 4 can occur since the spin state components associated with the subsystems match. For this case, the state vector Ψ - 43/21 is retained for the entire system. In the case (II), however, a coherently coupled vacuum fluctuation occurs and reverses the spin state components associated with the subsystems S 1 and S 4 . At least so much is established about the state vector to be assigned to the overall state in this case, that this subspace on the subspaces defined by the subsystems S 1 and S 2 or S 3 and S 4 is respectively represented by the fractions | 0.0> and | 1 , 1> must be writable. Cases (I.) and (II.) Thus occur with a probability of 50% each. In the event that the coherently coupled vacuum fluctuation does not occur with certainty for the case (II.), Then the probability for this case would decrease accordingly.

Mit diesen Informationen ist es nun möglich, den Zustand des Gesamtsystems zu bestimmen, der sich ergibt, nachdem die Teilsysteme S1 und S4 mit den Magneten M1 bzw. M4 in Wechselwirkung getreten sind und die entsprechenden Magnetfelder wieder verlassen haben.With this information, it is now possible to determine the state of the overall system, which results after the subsystems S 1 and S 4 have interacted with the magnets M 1 and M 4 and have left the corresponding magnetic fields again.

Innerhalb der Quantenphysik muss jede verlustfreie Zustandstransformation (eine die die Norm erhält), durch einen unitären Operator beschrieben werden können. Dieses gilt dann natürlich auch für den hier betrachteten Präparationsprozess mittels kohärent gekoppelter Vakuumfluktuationen. Der Zustand Ψ 43/21 lässt sich umschreiben zu Ψ 43/21 = 1/21/2{1/21/2Ψ+ 41/32 – Φ+ 41/32) – 1/21/2 41/32 – Φ 41/32)} = 1/21/2(|A> – |B>) (44) mit: |A> = 1/21/2+ 41/32 – Φ41/32) und |B> = 1/21/2 41/32 – Φ 41/32), wobei gilt: <A|B> = 0. (45) Within quantum physics, any lossless state transformation (one that gets the norm) must be described by a unitary operator. Of course, this also applies to the preparation process considered here by means of coherently coupled vacuum fluctuations. The state Ψ - 43/21 can be rewritten Ψ - 43/21 = 1/2 1/2 {1/2 1/2 Ψ + 41/32 - Φ + 41/32 ) - 1/2 1/2- 41/32 - Φ - 41/32 )} = 1/2 1/2 (| A> - | B>) (44) With: | A> = 1/2 1/2+ 41/32 - Φ 41/32 ) and | B> = 1/2 1/2- 41/32 - Φ - 41/32 ), where: <A | B> = 0. (45)

Der Zustand Ψ 43/21 kann somit aber auch formal als ein Element eines zweidimensionalen Vektorraums aufgefasst werden, der durch die orthogonalen Zustandsvektoren |A> und |B> aufgespannt wird. Definiert man auf diesem Vektorraum den unitären Operator UKV gemäß

Figure 00690001
so erhält man: UKV 43/21) = |A> = 1/21/2+ 41/32 – Φ+ 41/32) (47) The state Ψ - 43/21 can thus also be formally understood as an element of a two-dimensional vector space spanned by the orthogonal state vectors | A> and | B>. If we define the unitary operator U KV according to this vector space
Figure 00690001
so you get: U KV- 43/21 ) = | A> = 1/2 1/2+ 41/32 - Φ + 41/32 ) (47)

Der Zustand |A> lässt sich umschreiben zu: |A> = 1/21/2+ 41/32 – Φ+ 41/32) = 1/21/2 43/21 – Φ 43/21) (48) mit: Φ 43/21 = Φ 43 × Φ 21 und: Φ 43 = 1/21/2(|0>4|0>3 – |1>4|1>3) Φ 21 = 1/21/2(|0>2|0>1 – |1>2|1>1) The state | A> can be rewritten as: | A> = 1/2 1/2+ 41/32 - Φ + 41/32 ) = 1/2 1/2- 43/21 - Φ - 43/21 ) (48) With: Φ - 43/21 = Φ - 43 × Φ - 21 and: Φ - 43 = 1/2 1/2 (| 0> 4 | 0> 3 - | 1> 4 | 1> 3 ) Φ - 21 = 1/2 1/2 (| 0> 2 | 0> 1 - | 1> 2 | 1> 1 )

Damit ergibt sich mit Gl. (47): Ψ49 = UKV 43/21) = 1/21/2 43/21 – Φ 43/21). (49) This results in Eq. (47): Ψ 49 = U KV- 43/21 ) = 1/2 1/2- 43/21 - Φ - 43/21 ). (49)

Der, durch den Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation, sich ergebende Zustand muss nach den oben aufgeführten Überlegungen aus zwei Zustandsanteilen bestehen. Dem Zustandsvektor Ψ 43/21 und einem Zustandsanteil der auf den, durch die Teilsysteme S1 und S2 bzw. S3 und S4 definierten, Unterräumen durch die Anteile |0,0> und |1,1> beschrieben werden kann. Für die Betragsquadrate der jeweiligen Zustandsanteile wurde gefordert, dass diese den Wert 1/2 haben müssen. Der Zustand Ψ49 erfüllt diese Bedingungen. Die durch den Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation bedingte Zustandstransformation des aus den vier Teilsystemen S1, S2, S3 und S4 bestehenden Quantensystem im Zustand Ψ43/21 kann somit durch den unitären Operator UKV beschrieben werden. In der Rechenbasis erhält man für den Zustand Ψ49 dann: Ψ49 = 1/81/2{|1>4|0>3|1>2|0>1 – |1>4|0>3|0>2|1>1 – |0>4|1>3|1>2|0>1 + |0>4|1>3|0>2|1>1 – |0>4|0>3|0>2|0>1 + |0>4|0>3|1>2|1>1 + |1>4|1>3|0>2|0>1 – |1>4|1>3|1>2|1>1} (50) The state resulting from the process of coherently coupled vacuum fluctuation must consist of two states according to the above considerations. The state vector Ψ - 43/21 and a state part of the sub-spaces defined by subsystems S 1 and S 2 or S 3 and S 4 can be described by the components | 0.0> and | 1.1>. For the absolute squares of the respective state shares, it was required that they have the value 1/2. State Ψ 49 fulfills these conditions. The state transformation of the four subsystems S 1 , S 2 , S 3 and S 4 in the state Ψ 43/21 , which is conditioned by the process of the coherently coupled vacuum fluctuation, can thus be described by the unitary operator U KV . In the calculation base for state Ψ 49 you get: Ψ 49 = 1/8 1/2 {| 1> 4 | 0> 3 | 1> 2 | 0> 1 - | 1> 4 | 0> 3 | 0> 2 | 1> 1 - | 0> 4 | 1 > 3 | 1> 2 | 0> 1 + | 0> 4 | 1> 3 | 0> 2 | 1> 1 - | 0> 4 | 0> 3 | 0> 2 | 0> 1 + | 0> 4 | 0> 3 | 1> 2 | 1> 1 + | 1> 4 | 1> 3 | 0> 2 | 0> 1 - | 1> 4 | 1> 3 | 1> 2 | 1> 1 } (50)

Aus Gl. (50) kann man nun unmittelbar die möglichen Messwerte und die Wahrscheinlichkeiten mit denen diese auftreten ablesen. Alice und Bob erhalten an den Ihnen zugänglichen Zustandsanalysatoren nun nicht mehr ausschließlich streng anti-korrelierte Messwerte, sondern in 50% der Fälle auch korrelierte Messwerte.From Eq. (50) one can now read directly the possible measured values and the probabilities with which they occur. Alice and Bob now no longer receive exclusively strictly anti-correlated measurements on the state analyzers that are accessible to them, but also correlated measured values in 50% of the cases.

Nur dann, wenn Alice oder Bob in den zuvor vereinbarten Zeitintervallen sich dafür entscheiden, die jeweilige Quelle asynchron zu betreiben, erhalten beide wieder streng anti-korrelierte Messwerte, da dann mit Eintritt der Teilsysteme S1 und S4 in die jeweiligen Magnetfelder keine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auftreten kann.Only when Alice or Bob decide in the previously agreed time intervals to operate the respective source asynchronously, both again receive strictly anti-correlated measured values, since then with the entry of the subsystems S 1 and S 4 in the respective magnetic fields not coherently coupled Vacuum fluctuation can occur.

In diesem Fall ergeben sich dann wieder die in Tabelle I angegebenen Messwerte. Auch für den Fall, dass kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen nicht mit Sicherheit eintreten, wenn diese nach Postulat (P1) möglich sind, erhält man qualitativ dasselbe Ergebnis. Entsprechend der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation reduziert sich dann lediglich die Wahrscheinlichkeit für korrelierte Messwerte an den für Alice und Bob zugänglichen Spin-Analysatoren.In this case, the measured values given in Table I are again obtained. Also in the case that coherently coupled vacuum fluctuations do not occur with certainty, if these are possible after postulate (P1), one obtains qualitatively the same result. Corresponding to the probability of the occurrence of a coherently coupled vacuum fluctuation, only the probability of correlated measured values on the spin analyzers accessible to Alice and Bob is reduced.

Wird das Gedankenexperiment gemäß Variante 2 realisiert, so ist lediglich zu beachten, dass die Bedingung in Gl. (40) in die Bedingung flamΔMB1 = flamΔtMB4 = 1 übergeht und Gl. (41) natürlich nicht erfüllt werden muss. Im Unterschied zu Variante 1 tritt nun, wenn dieses nach (P1) möglich ist, eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation nicht mit dem Eintreten der Teilsysteme in die Magnetfelder, sondern erst mit dem Austreten der Teilsysteme aus den Magnetfeldern auf. Da es keine weiteren Unterschiede zwischen den beiden Varianten gibt, führen beide Varianten zu demselben Ergebnis. Werden die Aufbauten EPRBMM1 und EPRBMM4 synchron betrieben, so kann dem Quantensystem, nachdem die Teilsysteme S1 und S4 die Magnetfelder M1 und M4 wieder verlassen haben, wieder der Zustand Ψ49 zugeordnet werden. Werden die Aufbauten EPRBMM1 und EPRBMM4 asynchron betrieben, so kann dem Quantensystem, nachdem die Teilsysteme S1 und S4 die Magnetfelder M1 und M4 wieder verlassen haben, wieder der Zustand Ψ 43/21 zugeordnet werden.If the thought experiment according to variant 2 is realized, it is only to be noted that the condition in Eq. (40) passes into the condition f lam Δ MB1 = f lam Δt MB4 = 1 and Eq. (41) of course does not have to be fulfilled. In contrast to variant 1, if this is possible according to (P1), a coherently coupled vacuum fluctuation does not occur with the entry of the subsystems into the magnetic fields, but only with the emergence of the subsystems from the magnetic fields. Since there are no further differences between the two variants, both variants lead to the same result. If the structures EPRBM M1 and M4 EPRBM operated synchronously, so again the state of the quantum system can Ψ after the subsystems S have the magnetic fields M 1 and M 4 leave 1 and S 4 are assigned to the 49th If the assemblies EPRBM M1 and EPRBM M4 are operated asynchronously, the state of the quantum system can again be assigned the state Ψ - 43/21 after the subsystems S 1 and S 4 have again left the magnetic fields M 1 and M 4 .

Sollte das Gedankenexperiment realisiert werden können und sich dabei herausstellen, dass die für Alice und Bob zugänglichen Messwerte davon abhängen, ob die Quellen Q2/1 und Q3/4 synchron oder asynchron betrieben werden, so wäre dieses natürlich ein starkes Indiz dafür, dass Postulat (P1) zutrifft und kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen unter den entsprechenden Randbedingungen auftreten können. Da die dem Postulat (P1) zu Grunde liegenden Vorstellungen auf dem hier vorgeschlagenen Interpretationsansatz basieren, ist dann aber auch die Annahme gerechtfertigt, dass dieser die wesentlichen Aspekte der Quantenphysik zutreffend beschreibt und eine solide Ausgangsbasis für eine adäquate Interpretation der Quantenphysik und eine die Quantenphysik auszeichnende Idee bildet.If the thought experiment can be realized and it turns out that the readings available for Alice and Bob depend on whether the sources Q 2/1 and Q 3/4 are operated synchronously or asynchronously, this would of course be a strong indication that Postulate (P1) is true and coherently coupled vacuum fluctuations can occur under the appropriate boundary conditions. Since the ideas underlying the postulate (P1) are based on the interpretation approach proposed here, it is also justified to assume that it adequately describes the essential aspects of quantum physics and provides a sound starting point for an adequate interpretation of quantum physics and quantum physics Idea forms.

Für das physikalische Weltbild hat das oben beschriebene Gedankenexperiment in zweierlei Hinsicht eine grundsätzliche Bedeutung:

  • I.) Wenn die für Alice und Bob zugänglichen Messwerte davon abhängen, ob die Quellen Q2/1 und Q3/4 synchron oder asynchron betrieben werden, kann die physikalische Welt nicht kausal abgeschlossen sein, da hier angenommen wurde, dass es zwischen den modifizierten EPR-Bohm-Aufbauten EPRBMM1 und EPRBMM4, keinerlei physikalische Wechselwirkungen geben soll, sobald diese in Betrieb genommen werden. Vermittelt über den Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen könnten physikalische Ereignisse somit auch dann kausal zusammenhängen, wenn es keinerlei Möglichkeiten für eine physikalische Wechselwirkung zwischen den betrachteten Quantensystemen gibt.
  • II.) Wenn die für Alice und Bob zugänglichen Messwerte auch dann noch davon abhängen, ob die Quellen Q2/1 und Q3/4 synchron oder asynchron betrieben werden, wenn der Abstand d zwischen den modifizierten EPR-Bohm-Aufbauten EPRBMM1 und EPRBMM4 beliebig groß gewählt werden kann, so wäre dieses ein Indiz dafür, dass die Energie μBz augenblicklich über beliebige Entfernungen ausgetauscht werden kann. Sofern die für Alice und Bob zugänglichen Messwerte nur für d < ch/(4πΔEz/2), davon abhängen, ob die Quellen Q2/1 und Q3/4 synchron oder asynchron betrieben werden, würde das bedeuten, dass auch für kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen eine, wenn auch wechselwirkungsfreie, endliche Übertragungsgeschwindigkeit für die Energie μBz besteht.
For the physical world view, the thought experiment described above has a fundamental meaning in two respects:
  • I.) If the readings accessible to Alice and Bob depend on whether sources Q 2/1 and Q 3/4 are operated synchronously or asynchronously, the physical world can not be causally closed, since it was assumed to be between the two Modified EPR-Bohm abutments EPRBM M1 and EPRBM M4 should not give any physical interaction as soon as they are put into operation. Thus, given the process of coherently coupled vacuum fluctuations, physical events could be causally related even if there were no possibilities for a physical interaction between the considered quantum systems.
  • II.) If the readings available for Alice and Bob still depend on whether the sources Q 2/1 and Q 3/4 are operated synchronously or asynchronously, if the distance d between the modified EPR-Bohm setups EPRBM M1 and EPRBM M4 can be chosen arbitrarily large, this would be an indication that the energy μB z can be exchanged immediately over any distance. If the readings available to Alice and Bob depend only on d ch / (4πΔE z / 2), depending on whether sources Q 2/1 and Q 3/4 are operated synchronously or asynchronously, this would mean that they are also coherent coupled vacuum fluctuations an, albeit interaction-free, finite transmission speed for the energy μB z exists.

Zum besseren Verständnis des oben beschriebenen Gedankenexperimentes möchte ich den Grundgedanken noch einmal kurz zusammenfassen (siehe hierzu ):
Nehmen wir an, dass zwei Freunde, nennen wir Sie Alice und Bob folgendes Experiment durchführen könnten: Alice verfügt über einen Aufbau mit einer Quelle Q1/2 die zu einem frei wählbaren Zeitpunkt zwei Spin ½ Systeme S1 und S2 in dem Singulett-Zustand Ψ emittieren kann. Die Systeme S1 und S2 sollen zur Zustandsanalyse nach einer definierten Flugstrecke auf die Spin-Analysatoren SA1 bzw. SA2 treffen. Zwischen der Quelle Q1/2 und dem Spin-Analysator SA1 soll lokal eine Einheit E1 angeordnet sein, die das System S1 durchqueren muss, bevor dieses den Spin-Analysator SA1 erreicht. Der Aufbau von Bob verfügt über eine Quelle Q3/4 die zu einem frei wählbaren Zeitpunkt ebenfalls zwei Spin ½ Systeme S3 und S4 in dem Singulett-Zustand Ψ emittieren kann. Die Systeme S3 und S4 sollen zur Zustandsanalyse nach einer definierten Flugstrecke auf die Spin-Analysatoren SA3 und SA4 treffen. Zwischen der Quelle Q3/4 und dem Spin-Analysator SA4 soll lokal eine Einheit E4 angeordnet sein, die das System S4 durchqueren muss, bevor dieses den Spin-Analysator SA4 erreicht. Die Spin-Analysatoren sollen so angeordnet sein, dass die Systeme S1, S2, S3 und S4 diese erst erreichen, nachdem die Systeme S1 und S4 die Einheiten E1 und E4 wieder verlassen haben. Alle Spin-Analysatoren sollen dieselbe Quantisierungsachse (hier die z-Achse) haben. Die Aufbauten von Alice und Bob sollen in dem Abstand d voneinander angeordnet sein. Mit der Inbetriebnahme der Aufbauten soll es keine physikalische Wechselwirkung zwischen den Aufbauten mehr geben. Auch soll zwischen Alice und Bob keine Information über klassische Kanäle ausgetauscht werden können. Der Aufbau von Alice und der Aufbau von Bob soll weiter so realisiert sein, dass für den Fall, dass die Quellen Q1/2 und Q3/4 synchron betrieben werden (beide Quellen emittieren gleichzeitig ein Quantensystem im Singulett-Zustand Ψ), die Systeme S1 und S4 auch gleichzeitig die Einheiten E1 und E4 erreichen. Mit der Inbetriebnahme des Experimentes sollen Alice und Bob keine Möglichkeit mehr haben, auf die Einheiten E1 und E4 einzuwirken. Die Einheiten E1 und E4 sollen dabei so auf den Zustand des Gesamtsystems einwirken können, dass sich folgende Messwerte ergeben: Werden die Quellen Q1/2 und Q3/4 synchron betrieben, so sollen die für Alice zugänglichen Messwerte (Messwerte der Spin-Analysatoren SA1 und SA2) keine Korrelationen zeigen. Dasselbe soll für die Messwerte der für Bob zugänglichen Spin-Analysatoren SA3 und SA4 gelten. Für den Fall, dass die Quellen asynchron betrieben werden (die Quellen Q1/2 und Q3/4 emittieren die Quantensysteme um ein definiertes Zeitintervall (siehe hierzu auch Gl. 32) versetzt zueinander), sollen die für Alice zugänglichen Messwerte immer streng anti-korreliert sein. Dasselbe soll für die für Bob zugänglichen Messwerte gelten. Es ist offensichtlich, dass dieses Gedankenexperiment die Möglichkeit für eine – im Prinzip – augenblickliche Informationsübertragung eröffnen würde. Hierzu müssten Alice und Bob allerdings zuvor ein entsprechendes Übertragungsprotokoll vereinbaren:
Um die Quellen synchron betreiben zu können, vereinbaren Alice und Bob als Zeitpunkte hierzu immer die vollen Minuten. Um die Quellen asynchron betreiben zu können, vereinbaren Alice und Bob Zeitintervalle, in denen die Apparate auch asynchron (beispielsweise um eine Sekunde verzögert zur vollen Minute) betrieben werden können. Beispielsweise kann dann Alice zwischen 8 Uhr und 9 Uhr (10 Uhr und 11 Uhr, 12 Uhr und 13 Uhr, usw.) frei entscheiden, ob Ihre Quelle Q1/2 die Systeme exakt zur vollen Minute emittiert oder erst um eine Sekunde verzögert. Dasselbe soll für Bob gelten. Bob kann dann zwischen 9 Uhr und 10 Uhr (11 Uhr und 12 Uhr, 13 Uhr und 14 Uhr, usw.) frei entscheiden, ob seine Quelle Q3/4 die Systeme exakt zur vollen Minute emittiert oder erst eine Sekunde verzögert. Nur in diesen so definierten Zeitintervallen dürfen Alice und Bob frei entscheiden, wann Ihre Quellen die Systeme emittieren sollen. Außerhalb dieser Zeitintervalle müssen die Quellen jeweils zur vollen Minute die Systeme emittieren.
For a better understanding of the thought experiment described above, I would like to briefly summarize the basic idea (see ):
Let's assume that two friends, let's call you Alice and Bob, could do the following experiment: Alice has a construction with a source Q 1/2 which at a freely selectable time has two spin ½ systems S 1 and S 2 in the singleton Condition Ψ - can emit. The systems S 1 and S 2 are to meet the condition analysis according to a defined route on the spin analyzers SA 1 and SA 2 . Between the source Q 1/2 and the spin analyzer SA 1 should be located locally a unit E 1 , which must pass through the system S 1 , before it reaches the spin analyzer SA 1 . The structure of Bob has a source Q 3/4 at a freely selectable time also two spin ½ systems S 3 and S 4 in the singlet state Ψ - can emit. The systems S 3 and S 4 are to meet the state analysis for a defined route on the spin analyzers SA 3 and SA 4 . Between the source Q 3/4 and the spin analyzer SA 4 should be located locally a unit E 4 , which must pass through the system S 4 , before it reaches the spin analyzer SA 4 . The spin analyzers should be arranged so that the systems S 1 , S 2 , S 3 and S 4 reach them only after the systems S 1 and S 4 the Leave units E 1 and E 4 again. All spin analyzers should have the same quantization axis (here the z-axis). The abutments of Alice and Bob should be arranged at the distance d from each other. With the commissioning of the superstructures, there should no longer be a physical interaction between the superstructures. Also, no information should be exchanged between Alice and Bob on classical channels. The construction of Alice and the construction of Bob should be further realized so that in the event that the sources Q 1/2 and Q 3/4 are operated synchronously (both sources simultaneously emit a quantum system in the singlet state Ψ - ), the systems S 1 and S 4 also simultaneously reach the units E 1 and E 4 . With the commissioning of the experiment Alice and Bob are no longer able to influence the units E 1 and E 4 . The units E 1 and E 4 should be able to influence the state of the overall system in such a way that the following measured values result: If the sources Q 1/2 and Q 3/4 are operated synchronously, then the measured values accessible to Alice (measured values of the spin Analyzers SA 1 and SA 2 ) show no correlations. The same applies to the measured values of the spin analyzers SA 3 and SA 4 accessible to Bob. If the sources are operated asynchronously (the sources Q 1/2 and Q 3/4 emit the quantum systems offset by a defined time interval (see also Equation 32)), the measured values accessible to Alice are always strictly anti -correlated. The same should apply to the readings available to Bob. It is obvious that this thought experiment would open up the possibility of - in principle - instantaneous transfer of information. However, Alice and Bob would have to agree on a corresponding transmission protocol for this:
In order to be able to operate the sources synchronously, Alice and Bob always agree on the full minutes as times. To be able to operate the sources asynchronously, Alice and Bob agree on time intervals in which the apparatuses can also be operated asynchronously (for example, delayed by one second to the full minute). For example, between 8:00 am and 9:00 am (10:00 am and 11:00 am, 12:00 am, and 1:00 pm, etc.) Alice can freely decide whether her source Q 1/2 emits the systems exactly at the full minute or only delays them by one second. The same should apply to Bob. Bob will then be free to decide between 9am and 10am (11am and 12pm, 1pm and 2pm, etc.) if his Q 3/4 source emits the systems at exactly the full minute or decelerates for a second. Only in these defined time intervals, Alice and Bob are free to decide when their sources should emit the systems. Outside these time intervals, the sources must each emit the systems at full minute.

Werden die Einheiten E1 und E4 durch die in der dargestellten Magnetfelder M1 bzw. M4 realisiert, so entspricht der in dargestellte Aufbau dem in dargestellten Aufbau. Die durch die Einheiten E1 und E4 hervorgerufene Zustandsdynamik kann somit für den asynchronen Betrieb einfach durch den Identitäts-Operator (es passiert nichts) beschrieben werden. Als Messwerte würden dann Alice und Bob an den Ihnen zugänglichen Spin-Analysatoren immer streng anti-korrelierte Werte erhalten. Für den synchronen Betrieb kann die durch die Einheiten E1 und E4 hervorgerufene Zustandsdynamik dann durch den Operator UKV beschrieben werden. An den Messwerten der Ihnen zugänglichen Spin-Analysatoren würden dann Alice und Bob keine Korrelationen mehr feststellen.Are the units E 1 and E 4 by the in the realized magnetic fields M 1 and M 4 realized, so corresponds to in shown construction in the shown construction. The state dynamics caused by the units E 1 and E 4 can thus be described for the asynchronous operation simply by the identity operator (nothing happens). As measured values, Alice and Bob would always receive strictly anti-correlated values from the spin analyzers available to them. For synchronous operation, the state dynamics produced by the units E 1 and E 4 can then be described by the operator U KV . On the readings of the spin analyzers available to you then Alice and Bob would no longer find any correlations.

Um Informationen austauschen zu können, müssen Alice und Bob nun nur noch festlegen, welchem Betriebszustand welche Information zugeordnet werden soll. Beispielsweise könnte dem synchronen Betrieb eine logische „Eins” und dem asynchronen Betrieb eine logische „Null” zugeordnet werden. Alice und Bob könnten somit Informationen auf eine Art und Weise austauschen, die mittels eines klassischen Informationskanals prinzipiell unmöglich ist. Ein klassischer Informationskanal benötigt immer einen Sender und Empfänger. Um Informationen vom Sender zum Empfänger übertragen zu können, muss der Sender zwingend Energie zum Empfänger übertragen können. Ob der Empfänger die Informationen auch erhalten hat, kann der Sender nicht mit Sicherheit wissen. Wenn jedoch Alice oder Bob, in den Ihnen zugeordneten Zeitintervallen, sich für einen synchronen Betrieb entscheiden, wüssten immer beide, dass die Aufbauten synchron betrieben werden. Da dann die beiden Aufbauten ein verschränktes Quantensystem präparieren würden, könnte dieses Wissen nahezu ohne Verzögerung vorliegen. Es wäre somit denkbar, dass Alice und Bob auf diese Art und Weise Informationen auch überlichtschnell übertragen könnten.To be able to exchange information, Alice and Bob now only have to decide to which operating state which information should be assigned. For example, synchronous operation could be assigned a logical "one" and asynchronous operation a logical "zero". Alice and Bob could thus exchange information in a way that is in principle impossible by means of a classical information channel. A classic information channel always needs a sender and receiver. In order to transmit information from the transmitter to the receiver, the transmitter must be able to transmit energy to the receiver. Whether the receiver has received the information, the sender can not know for sure. However, if Alice or Bob, in their assigned time intervals, opt for synchronous operation, both would always know that the superstructures are operated synchronously. Since then the two structures would prepare an entangled quantum system, this knowledge could be present with almost no delay. It would thus be conceivable that Alice and Bob could also transmit information in a light-fast manner in this way.

Immer wieder wird als Argument, dass ein solches Gedankenexperiment prinzipiell nicht realisierbar sein kann, angeführt, dass aus der speziellen Relativitätstheorie folgt, dass Signale nur mit maximal Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können. Ergänzt wird dieser Einwand dann häufig durch den Hinweis, dass sich aus der Annahme einer überlichtschnellen Informationsübertragung zwangsweise zeitliche Paradoxa ergeben, die dann zu Inkonsistenzen innerhalb der verwendeten Theorie führen würden. Beide Einwände sind jedoch nicht haltbar.Again and again, as an argument that such a thought experiment can not be realized in principle, it is stated that it follows from the special theory of relativity that signals can only be transmitted at maximum speed of light. This objection is then often supplemented by the observation that the assumption of an ultra-fast information transfer results in compulsory temporal paradoxes, which would then lead to inconsistencies within the theory used. Both objections, however, are not tenable.

Das Grundproblem bei dieser Argumentation ist, dass in der Regel stillschweigend vorausgesetzt wird, dass für einen Informationsaustausch ein Sender und ein Empfänger benötigt wird. Diese, durch die klassische Physik geprägte Vorstellung, scheint den Status einer unumstößlichen Tatsache erlangt zu haben, die somit auch nicht weiter hinterfragt werden muss. Offensichtlich wird diese Vorstellung auch im Rahmen der Quantenphysik aufrecht erhalten (seine beispielsweise [12], [28]). Um belegen zu können, dass diese Vorstellung auch im Rahmen der Quantenphysik aufrecht erhalten werden kann, wird in der Regel das EPR-Bohm-Gedankenexperiment betrachtet. Doch was kann aus diesem Gedankenexperiment geschlossen werden? Der in diesem Zusammenhang wesentliche Punkt ist der Folgende: Durch keine, wie auch immer geartete Messung an einem Teilsystem, kann die statistische Verteilung der möglichen Messwerte an den anderen Teilsystemen verändert werden. Zusammen mit der Tatsache, dass einzelne Messwerte im Prinzip nicht vorhergesagt werden können, wenn mehrere Messwerte möglich sind (ohne diese Möglichkeit ist eine Informationsübertragung nicht möglich), kann dann für das EPR-Bohm-Gedankenexperiment gefolgert werden, dass Informationen von einem Teilsystem zu einem anderen Teilsystem nur dann übertragen werden können, wenn zusätzlich ein klassischer Informationskanal zur Verfügung steht. Allerdings kann das EPR-Bohm-Gedankenexperiment nicht als Beleg dafür angeführt werden, dass für eine Informationsübertragung im Rahmen der Quantenphysik prinzipiell ein klassischer Kanal benötigt wird, denn hierzu müsste man zeigen können, dass es im Rahmen der Quantenphysik keine andere Möglichkeit zur Informationsübertragung geben kann. Man müsste daher folgende Behauptung beweisen können: Aufgrund der in der Quantenphysik möglichen augenblicklichen Wirkung zwischen Quantensystemen (die offensichtlich nicht mit einem Austausch von Energie zwischen den beteiligten Quantensystemen verbunden ist) und auf die als Erste EPR in [9] hingewiesen haben, ist ein Informationsaustausch (ohne einen zusätzlichen klassischen Kanal) prinzipiell unmöglich. Nur wenn diese Behauptung korrekt ist, kann gefolgert werden, dass die klassische Vorstellung gültig sein muss. Für einen Informationsaustausch würde dann immer ein Sender und ein Empfänger benötigt und der Sender müsste zum Zwecke des Informationsaustausches zwingend Energie zum Empfänger übertragen. Die Frage ist daher: Gibt es einen Beweis für diese Behauptung? Die Antwort lautet: Nein. Es liegt bisher kein Beweis für diese Behauptung vor. Auch halte ich es für sehr unwahrscheinlich, dass so ein Beweis im Rahmen der Quantenphysik allgemein möglich ist. Um klären zu können, ob diese Behauptung zutreffend ist, bleibt somit lediglich die Möglichkeit, ein Gegenbeispiel für diese zu finden. Gelingt dieses, so kann die Behauptung nicht korrekt sein. Doch wie findet man ein entsprechendes Gegenbeispiel? Hierzu ist es notwendig, sich zu überlegen, welche physikalische Vorstellung dieser Behauptung zugrunde liegt. Um verstehen zu können, um welche Vorstellung es sich hierbei handelt, muss man sich lediglich überlegen, welche physikalischen Eigenschaften Zustandstransformationen in der Regel zugeordnet werden, die Präparationsprozesse beschreiben, die zu verschränkten Quantensystemen führen. Hierzu bieten sich die, in Abschnitt III beschriebenen Techniken zur Zustandspräparation von 40Ca+-Ionen, die in einer linearen Ionenfalle gespeichert sind, an. Sind in der linearen Ionenfalle zwei 40Ca+-Ionen gespeichert und liegen beide Ionen im energetischen Grundzustand vor, so ist der das Gesamtsystem beschreibende Zustand durch den Produktzustand |1,1> gegeben. Um nun den Produktzustand |1,1 in einen verschränkten Zustand überführen zu können, ist ein nicht-lokaler unitärer Operator erforderlich (siehe hierzu die Bemerkungen am Anfang von Abschnitt VII). Beispielsweise kann der Zustand |1,1> formal mittels des nicht-lokalen, unitären Operators UB2B1 –1 (siehe Gleichung 14) gemäß UB2B1 –1 |1,1> = Ψ = 1/21/2(|1,0> – |0,1>) in den maximal verschränkten Zustand Ψ überführt werden. Klar ist, dass der Operator UB2B1 –1 eine im Rahmen der Quantenphysik formal zulässige Zustandstransformation beschreibt. Doch welche physikalische Bedeutung kann man dem Operator UB2B1 –1 zuschreiben? Um den Operator UB2B1 –1 mittels des in Abschnitt III beschriebenen Präparationsverfahrens physikalisch realisieren zu können, ist es zwingend erforderlich, dass es zwischen den beiden Ionen eine Wechselwirkung (dort die Coulomb-Abstoßung) gibt. Der Operator UB2B1 –1 wird daher in der Regel als Wechselwirkungs-Operator aufgefasst. Experimente dieser Art scheinen somit die folgende Vermutung nahe zu legen: Jeder physikalisch realisierbare nicht-lokale unitäre Operator der einen Produktzustand in einen verschränkten Zustand überführt muss ein Wechselwirkungs-Operator sein. Der entscheidende Punkt ist nun, dass im Rahmen der Quantenphysik weder gezeigt werden, dass jeder physikalisch realisierbare nicht-lokale Operator ein Wechselwirkungsoperator sein muss, noch kann gezeigt werden, dass es im Rahmen der Quantenphysik physikalisch realisierbare nicht-lokale Operatoren geben muss, die keine Wechselwirkungsoperatoren sind. Ungeachtet dieser Tatsache, scheint sich jedoch im Rahmen der Quantenphysik die Vorstellung durchgesetzt zu haben, dass jeder physikalisch realisierbare nicht-lokale unitäre Operator, der einen Produktzustand in einen verschränkten Zustand überführt, ein Wechselwirkungs-Operator sein muss. Den Grund hierfür kann man wohl nur in unserer, durch die klassische Physik geprägten, Intuition sehen. Werden an voneinander isolierten Systemen Messungen durchgeführt und treten zwischen den Messwerten an den einzelnen Systemen Korrelationen auf, so muss es in der Vergangenheit eine Wechselwirkung zwischen den Systemen gegeben haben, wenn die beobachteten Korrelationen eine kausale Ursache haben. Durch die Wechselwirkung werden dann die möglichen Korrelationen festgelegt. Nun zeigt aber das EPR-Bohm-Gedankenexperiment, dass diese klassische Vorstellung im Rahmen der Quantenphysik nicht zutreffend sein kann, da in diesem Korrelationen zwischen den beiden Teilsystemen möglich sind, die über Wechselwirkungen bei der Präparation klassisch nicht erklärbar sind (siehe hierzu die Bemerkungen am Anfang von Abschnitt VII). Das führt aber unmittelbar zu der Frage, welche Rolle Wechselwirkungen bei der Präparation von verschränkten Systemen spielen? Betrachtet man das in Abschnitt III beschriebene Präparationsverfahren, um zwei 40Ca+-Ionen ausgehend von dem Produktzustand |1,1> in den maximal verschränkten Zustand Ψ zu präparieren, so sieht man, dass die zwischen den beiden Ionen vorhandene Coulomb-Abstoßung nur sicherstellt, dass es prinzipiell unmöglich ist vorherzusagen, welche Energie den einzelnen Ionen im Zustand Ψ zugeordnet werden kann. Nur wenn man annimmt, dass dieses Ziel ausschließlich mittels einer Wechselwirkung realisierbar ist, kann jeder, eine Zustandstransformation beschreibende physikalisch realisierbare nicht-lokale unitäre Operator, als Wechselwirkungsoperator aufgefasst werden. Eine wechselwirkungsfreie Übertragung von Informationen wäre dann, wie beim EPR-Bohm-Gedankenexperiment, nur mittels eines zusätzlichen klassischen Kanals möglich, da Experimente wie das oben beschriebene Gedankenexperiment dann prinzipiell unmöglich wären. Die Vorstellung, dass auch im Rahmen der Quantenphysik prinzipiell ein zusätzlicher klassischer Informationskanal benötigt wird, um Informationen austauschen zu können, wäre dann korrekt. Sobald man jedoch annimmt, dass es auch physikalisch realisierbare nicht-lokale unitäre Operatoren geben könnte, die nicht als Wechselwirkungs-Operatoren aufgefasst werden können, könnten Experimente, wie das oben beschriebene Gedankenexperiment, prinzipiell möglich sein. Wenn es gelingt, dieses erfolgreich zu realisieren, so hätte man natürlich auch gleichzeitig das gesuchte Gegenbeispiel gefunden. Auch bietet dieses die Möglichkeit, die Frage zu beantworten, ob eine überlichtschnelle Informationsübertragung möglich ist.The basic problem with this argument is that it usually implies that a sender and a receiver are needed to exchange information. This idea, shaped by classical physics, seems to have attained the status of an irrefutable fact, which therefore need not be further questioned. Obviously, this idea is also maintained in the context of quantum physics (his example, [12], [28]). In order to be able to prove that this idea can also be maintained in the context of quantum physics, the EPR-Bohm thought experiment is usually considered. But what can be concluded from this thought experiment? The essential point in this context is the following: By no measurement of any kind on a subsystem, the statistical distribution of the possible measured values on the other subsystems can be changed. Together with the fact that individual measurements can not be predicted in principle, if several measurements are possible (without this possibility is an information transfer not possible), then it can be concluded for the EPR Bohm thought experiment that information from a subsystem to a other subsystem can only be transmitted if in addition a classic information channel is available. However, the EPR-Bohm thought experiment can not be cited as proof that, in principle, a classical channel is required for information transmission in the context of quantum physics, because for this it would have to be shown that quantum physics can not provide any other means of transmitting information , One would therefore have to be able to prove the following statement: Because of the quantum physics possible instantaneous effect between quantum systems (which obviously is not related to an exchange of energy between the involved quantum systems) and to which the EPR in [9] pointed, there is an exchange of information (without an additional classical channel) in principle impossible. Only if this assertion is correct, it can be concluded that the classical notion must be valid. For an exchange of information, a sender and a receiver would then always be required and the sender would necessarily have to transmit energy to the receiver for the purpose of exchanging information. So the question is: is there any proof of this claim? The answer is no. So far, there is no evidence for this assertion. Also, I find it very unlikely that such a proof in the context of quantum physics is generally possible. In order to be able to clarify whether this claim is correct, there remains only the possibility of finding a counter-example for this. If this succeeds, the claim can not be correct. But how do you find a corresponding counter-example? For this it is necessary to consider which physical conception underlies this assertion. In order to understand what this concept is, it is only necessary to consider which physical properties are usually assigned to state transformations that describe preparation processes that lead to entangled quantum systems. For this purpose, the techniques described in Section III for state preparation of 40 Ca + ions stored in a linear ion trap. If two 40 Ca + ions are stored in the linear ion trap and both ions are present in the energetic ground state, the state describing the entire system is given by the product state | 1,1>. In order to convert the product state | 1,1 into an entangled state, a non-local unitary operator is required (see the comments at the beginning of Section VII). For example, the state | 1,1> may be formalized by means of the non-local unitary operator U B2B1 -1 (see Equation 14) according to U B2B1 -1 | 1,1> = Ψ - = 1/2 1/2 (| 1 , 0> - | 0.1>) in the maximum entangled state Ψ - be transferred. It is clear that the operator U B2B1 -1 describes a formally permissible state transformation in the context of quantum physics. But what physical meaning can be attributed to the operator U B2B1 -1 ? In order to be able to physically realize the operator U B2B1 -1 by means of the preparation method described in Section III, it is imperative that there is an interaction between the two ions (there the Coulomb repulsion). The operator U B2B1 -1 is therefore usually regarded as an interaction operator. Experiments of this kind thus seem to suggest the following assumption: Any physically feasible non-local unitary operator that transforms a product state into an entangled state must be an interaction operator. The crucial point is that in quantum physics it is neither shown that every physically realizable non-local operator has to be an interaction operator, nor can it be shown that there are physically feasible non-local operators in quantum physics that do not have any Interaction operators are. Notwithstanding this fact, however, quantum physics seems to have established the notion that any physically feasible non-local unitary operator that transforms a product state into an entangled state must be an interaction operator. The reason for this can probably be seen only in our, characterized by classical physics, intuition. If measurements are carried out on isolated systems and correlations occur between the measured values on the individual systems, there must have been an interaction between the systems in the past if the observed correlations have a causal cause. The interaction then determines the possible correlations. However, the EPR-Bohm thought experiment shows that this classical concept can not be applicable in the context of quantum physics, since in this case correlations between the two subsystems are possible, which are not classically explainable via interactions during preparation (see the remarks on Beginning of section VII). But this leads directly to the question of what role interactions play in the preparation of entangled systems? Considering the preparation procedure described in Section III to prepare two 40 Ca + ions starting from the product state | 1,1> in the maximum entangled state Ψ - , one sees that the Coulomb repulsion between the two ions is only ensures that it is in principle impossible to predict which energy in the state of the individual ions Ψ - can be assigned. Only if one assumes that this goal can be realized exclusively by means of an interaction, can any physical-transferable non-local unitary operator, describing a state transformation, be understood as an interaction operator. An interaction-free transmission of information would then be possible, as in the EPR-Bohm thought experiment, only by means of an additional classical channel, since experiments such as the thought experiment described above would then be impossible in principle. The idea that in quantum physics, in principle, an additional classical information channel is needed to exchange information would then be correct. However, once one assumes that there may be physically feasible non-local unitary operators that can not be understood as interaction operators, experiments such as the thought experiment described above could in principle be possible. If it succeeds in realizing this successfully, one would of course have found the counter-example at hand at the same time. This also offers the opportunity to answer the question of whether an ultra-fast information transfer is possible.

Die Frage, ob zwischen Quantensystemen Informationen ausgetauscht werden können, ohne dabei auf einen klassischen Informationskanal zurückgreifen zu müssen, hängt somit im Kern nicht von den Forderungen ab, die sich aus der speziellen Relativitätstheorie an eine relativistische Quantentheorie ergeben, sondern von der Frage ab, ob es physikalisch realisierbare nicht-lokale Operatoren gibt, die nicht als Wechselwirkungsoperatoren aufgefasst werden können. Auf die Frage, welche Forderungen sich durch die spezielle Relativitätstheorie für eine relativistische Quantentheorie ergeben, möchte ich daher hier nicht eingehen. Einen guten Einblick in die aktuelle Forschung zu dieser Frage erhält man in [52].The question as to whether information can be exchanged between quantum systems without resorting to a classical information channel thus does not depend essentially on the demands arising from the special theory of relativity to a relativistic quantum theory, but on the question of whether there are physically feasible non-local operators that can not be considered as interaction operators. On the question, which claims result by the special theory of relativity for a relativistic quantum theory, I would therefore not enter here. A good insight into current research on this question can be found in [52].

Selbst wenn man annimmt, dass die klassische Vorstellung zutreffend ist und somit für eine Informationsübertragung ein Sender und ein Empfänger benötigt wird und daher zwingend vom Sender Energie zum Empfänger übertragen werden muss, kann hieraus noch nicht gefolgert werden, dass eine überlichtschnelle Informationsübertragung prinzipiell unmöglich ist. Denn: Die spezielle Relativitätstheorie beruht auf zwei Postulaten: I.) Alle Naturgesetze sind kovariant bezüglich den Transformationen zwischen Inertialsystemen (alle Naturgesetze haben in allen Inertialsystemen dieselbe Form). II.) Die Lichtgeschwindigkeit c hat in allen Inertialsystemen denselben Wert. Aus dem Relativitätsprinzip (Postulat I) kann lediglich abgeleitet werden, dass es eine, hinsichtlich der zulässigen Transformationen zwischen Inertialsystemen, invariante Geschwindigkeit geben muss. Dass diese invariante Geschwindigkeit, in welchem Sinne auch immer, eine obere Grenze darstellt, kann aus dem Relativitätsprinzip jedoch nicht abgeleitet werden. Auch ist es nicht möglich, aus dem Relativitätsprinzip den konkreten Wert für diese invariante Geschwindigkeit abzuleiten. Erst über Postulat II wird dieser invarianten Geschwindigkeit ein konkreter Wert – die Lichtgeschwindigkeit c – zugeordnet (siehe hierzu auch [47], Abschnitt 1). Um ein Signal Im Sinne der klassischen Physik übertragen zu können muss es einen Sender und einen Empfänger des Signals geben. Der Sender muss zum Zwecke der Signalübertragung hierzu immer Energie zum Empfänger übertragen. Dieses könnte beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Sender eine Nachricht auf ein Blatt Papier schreibt, dieses um einen Stein wickelt und diesen dann dem Empfänger zuwirft. Natürlich könnte der Sender auch ein, geeignet kodiertes, Lichtsignal zum Empfänger senden. Da im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie jedoch eine Beschleunigung von Materie auf eine Geschwindigkeit ≥ c nicht möglich ist und die Lichtgeschwindigkeit c in allen Inertialsystemen denselben Wert hat, ist eine Signalübertragung mit Signalen dieser Art offensichtlich nur maximal mit Lichtgeschwindigkeit möglich. Da nach dem Relativitätsprinzip aber prinzipiell auch Teilchen mit einer Geschwindigkeit > c (Tachyonen) denkbar sind, kann zumindest prinzipiell nicht ausgeschlossen werden, dass mittels dieser hypothetischen Teilchen eine Signalübertragung auch mit Überlichtgeschwindigkeit möglich sein könnte (siehe hierzu auch [46], Abschnitt 3). Allerdings liegt bis zum heutigen Tage weder ein Vorschlag für ein Experiment, aus dem die Existenz von Tachyonen abgeleitet werden könnte, noch ein Vorschlag für ein Experiment, dass die grundsätzliche Machbarkeit einer Signalübertragung mittels Tachyonen möglich erscheinen lässt, vor. Dass eine überlichtschnelle kausale Wirkung nicht zwangsweise zu logischen Widersprüchen oder Paradoxa in der betrachteten Theorie führen müssen, haben Wheeler und Feynman in [48] an einem Beispiel (einer lorentzinvarianten Theorie) explizit aufgezeigt. Das Argument, dass sich aus der Annahme einer überlichtschnellen Informationsübertragung zwangsweise zeitliche Paradoxa oder Inkonsistenzen innerhalb der betrachteten Theorie ergeben, kann daher nicht korrekt sein.Even if one assumes that the classical idea is correct and thus a transmitter and a receiver are required for an information transmission and therefore must necessarily be transmitted from the sender energy to the receiver, it can not be concluded from this that an ultra-light information transfer is in principle impossible. For: The special theory of relativity is based on two postulates: I. All natural laws are covariant with respect to the transformations between inertial systems (all natural laws have the same form in all inertial systems). II.) The speed of light c has in all Inertialsystemen the same value. From the relativity principle (postulate I) it can only be deduced that there must be an invariant velocity with regard to the permissible transformations between inertial systems. That this invariant velocity, in whatever sense, represents an upper limit, can not be derived from the principle of relativity. Nor is it possible to deduce from the principle of relativity the concrete value for this invariant velocity. Only postulate II assigns a concrete value - the speed of light c - to this invariant velocity (see also [47], section 1). In order to be able to transmit a signal in the sense of classical physics, there must be a transmitter and a receiver of the signal. The transmitter must always transmit energy to the receiver for the purpose of signal transmission. This could be realized, for example, by the sender writing a message on a piece of paper wrapping it around a stone and then throwing it to the receiver. Of course, the transmitter could also send a suitably coded light signal to the receiver. However, since in the context of the special theory of relativity an acceleration of matter to a velocity ≥ c is not possible and the speed of light c has the same value in all inertial systems, a signal transmission with signals of this kind is obviously only possible at maximum with the speed of light. Since according to the principle of relativity but in principle also particles with a velocity> c (tachyons) are conceivable, it can not be ruled out in principle that by means of these hypothetical particles a signal transmission could also be possible with superluminal velocity (see also [46], section 3) , However, up to the present day there is neither a proposal for an experiment from which the existence of Tachyon could be derived, nor a proposal for an experiment that makes the fundamental feasibility of signal transmission by means of tachyons appear possible. Wheeler and Feynman explicitly pointed out that an over-light-fast causal effect does not necessarily lead to logical contradictions or paradoxes in the considered theory. [48] An example (a Lorentz-variant theory) was used. The argument that the assumption of an ultra-fast information transfer necessarily leads to temporal paradoxes or inconsistencies within the considered theory can therefore not be correct.

Wie diese Überlegungen zeigen, gibt es somit kein grundsätzliches Argument, aus dem abgeleitet werden könnte, dass das oben beschriebene Gedankenexperiment nicht realisierbar sein könnte.

  • VII: Einbindung des Spin-Statistik-Theorems in den Interpretationsansatz. Ich möchte hier der Frage nachgehen, welche Konsequenzen sich für den oben entwickelten Interpretationsansatz aus dem in der Quantenphysik gültigen Spin-Statistik-Theorem ergeben. Um diese Frage angehen zu können, ist es hilfreich, die in diesem Zusammenhang wesentlichen Begriffe und die dahinterstehenden Vorstellungen zuerst noch einmal näher zu betrachten.
As these considerations show, there is thus no fundamental argument from which it could be deduced that the thought experiment described above could not be realized.
  • VII: Integration of the Spin Statistics Theorem in the Interpretation Approach. I would like to investigate the question of what consequences arise for the interpretation approach developed above from the spin-statistics theorem valid in quantum physics. To tackle this question, it is helpful to first take a closer look at the terms and the concepts behind them.

Wenn man im Rahmen der klassischen Physik von unabhängigen Systemen spricht, ist klar, was man darunter zu verstehen hat. Betrachtet man beispielsweise die klassische Elektrodynamik, so können die Systeme nur mittels der elektromagnetischen Felder in Wechselwirkung treten. Der hierdurch vermittelte Einfluss des einen Systems auf ein anderes System findet im physikalischen Raum statt. Solange die beiden Systeme nahe beieinander sind, können diese nahezu augenblicklich aufeinander einwirken, da dann die – durch die elektromagnetischen Felder – vermittelte Wirkung nahezu augenblicklich eintritt. Entfernen sich die beiden Systeme voneinander und treten diese dann beispielsweise zum Zeitpunkt T0 in zwei abgeschirmte, voneinander getrennte Raumbereiche ein, so können die Systeme ab diesem Zeitpunkt nicht mehr in Wechselwirkung treten, da dann zwischen den beiden Systemen eine Wechselwirkung ausgeschlossen ist. Die Systeme können dann ab dem Zeitpunkt T0 als von einander unabhängig betrachtet werden. Abhängig davon, auf welche Art und Weise man nun an den Systemen Messungen durchführt, können zwischen den Messwerten am einen System und Messwerten am anderen System allerdings Korrelationen auftreten. Diese können jedoch nur aus der, vor dem Zeitpunkt T0 möglichen Wirkung der elektromagnetischen Felder auf die beiden Systeme hervorgehen. Sind diese Korrelationen statistischer Natur, so muss der jeweilige Versuch lediglich – unter identischen Bedingungen – hinreichend oft wiederholt werden, um diese Korrelationen sicher erkennen zu können. Die Ursache für diese Korrelationen liegt somit immer in der Vergangenheit, da die Messungen an den Systemen immer zu Zeitpunkten TM > T0 durchgeführt werden. Mathematisch lässt sich dieser Sachverhalt durch die Bellschen-Ungleichungen (siehe hierzu beispielsweise [1]) beschreiben. Die Bellschen-Ungleichungen sind genau dann erfüllt, wenn die Aussage „die Systeme sind unabhängig” äquivalent zu der Aussage ist „zwischen den Systemen gibt es keine Wechselwirkung”. Wenn man also im Rahmen der klassischen Physik von „unabhängigen” Systemen spricht, ist dieses äquivalent zu der Aussage, „zwischen den Systemen gibt es keine Wechselwirkung”.If one speaks of independent systems within the framework of classical physics, it is clear what they mean by this. Considering, for example, the classical electrodynamics, the systems can interact only by means of the electromagnetic fields. The resulting influence of one system on another system takes place in the physical space. As long as the two systems are close to each other, they can interact with each other almost instantaneously, because then the effect mediated by the electromagnetic fields occurs almost instantaneously. If the two systems are separated from one another and then enter, for example, at time T 0 into two shielded, mutually separate spatial regions, then the systems can no longer interact from this point on, since an interaction is then excluded between the two systems. The systems can then be considered as independent from time T 0 onwards. Depending on the way in which measurements are performed on the systems, however, correlations may occur between the measured values on one system and measured values on the other system. However, these can only emerge from the effect of the electromagnetic fields on the two systems, which is possible before time T 0 . If these correlations are of a statistical nature, then the respective experiment merely has to be repeated sufficiently often under identical conditions in order to be able to reliably recognize these correlations. The cause of these correlations thus always lies in the past, since the measurements on the systems are always carried out at times T M > T 0 . Mathematically, this fact can be described by the Bell's inequalities (see for example [1]). The Bell's inequalities are met if and only if the statement "the systems are independent" is equivalent to the statement "there is no interaction between the systems". Thus, when speaking of "independent" systems in the context of classical physics, this is equivalent to the statement "there is no interaction between the systems".

Um zum Zeitpunkt der Messung von unabhängigen Systemen sprechen zu können, könnte man natürlich genauso gut den Abstand zwischen den betrachteten Raumbereichen so groß wählen, dass diese -bezogen auf die Dauer der Messung- als raumartig getrennt angesehen werden können. Dann wäre eine Abschirmung der Raumbereiche natürlich nicht erforderlich.Of course, in order to be able to speak of independent systems at the time of the measurement, one could just as well choose the distance between the considered areas of space so that these - based on the duration of the measurement can be regarded as a space-like separated. Of course, a shielding of the room areas would not be necessary.

Betrachtet man im Rahmen der Quantenphysik zwei unabhängige Systeme A und B, mit den Systemhilberträumen HA und HB, so findet eine Beschreibung des Gesamtsystems in dem, über das Tensorprodukt der Systemräume gebildeten, Hilbertraum HBA = HB × HA statt. Einem Operator EA der nur auf HA wirkt, wird auf HBA dann der Operator 1 × EA (1 ist hier der Identitätsoperator) zugeordnet. Einem auf HB lokalisierten Operator EB wird dann auf HBA der Operator EB × 1 zugeordnet. Solange die Systeme als unabhängig betrachtet werden können, lässt sich jede Zustandstransformation durch einen Operator der Form EB × EA, also als Tensorprodukt zweier lokal auf den jeweiligen Systemhilberträumen wirkenden Operatoren, beschreiben. Wechselwirkungen zwischen den Systemen werden daher auf HBA durch Operatoren WBA beschrieben, die nicht in ein Tensorprodukt von zwei lokal wirkenden Operatoren zerlegt werden können. Wechselwirkungsoperatoren WBA sind somit immer nicht-lokale Operatoren.If two independent systems A and B are considered within the framework of quantum physics, with the system half-dreams H A and H B , then a description of the overall system takes place in the Hilbert space H BA = H B × H A formed over the tensor product of the system spaces. An operator E A acting only on H A is then assigned to H BA the operator 1 × E A (1 here is the identity operator). A localized on H B E B operator is then assigned to the operator H BA E × B. 1 As long as the systems can be regarded as independent, each state transformation can be described by an operator of the form E B × E A , ie as a tensor product of two operators acting locally on the respective system goal dreams. Interactions between the systems are therefore described on H BA by operators W BA , which can not be decomposed into a tensor product of two locally acting operators. Interaction operators W BA are thus always non-local operators.

Im Rahmen der Quantenphysik ist die Aussage „zwischen den Systemen gibt es keine Wechselwirkung” jedoch im Allgemeinen nicht mehr äquivalent zu der Aussage „die Systeme sind unabhängig”. Im Rahmen der Quantenphysik gilt diese Äquivalenz nur für Quantensysteme die durch einen Produktzustand beschrieben werden können. Nicht jedoch für verschränkte Quantensysteme. Dieses lässt sich leicht anhand des folgenden Beispiels aufzeigen:
Im EPR-Bohm-Gedankenexperiment (siehe ) emittiert die Quelle Q zwei Spin ½ Systeme in dem Singulett-Zustand Ψ31 (siehe Gl. 31). Nimmt man an, dass die Quelle 0 die beiden Spin ½ Systeme nicht im Zustand Ψ31, sondern im Zustand |+z,+z> emittiert und nimmt man weiter an, dass der Abstand zwischen den als Spin-Analysatoren verwendeten Stern-Gerlach-Magneten ML und MR so groß gewählt wird, dass diese, bezogen auf die Dauer der Messung, als raumartig getrennt angeordnet betrachtet werden können, so ergeben sich die folgenden Messwerte: Haben die Spin-Analysatoren ebenfalls die z-Achse als Quantisierungsachse, so erhält man streng korrelierte Messwerte. An beiden Spin-Analysatoren werden die Spin ½ Systeme mit Sicherheit in die +z-Richtung abgelenkt. Wird nun die Quantisierungsachse des rechts von der Quelle angeordneten Spin-Analysators MR beispielsweise in die y-Rchtung gedreht, so können die Messwerte am Spin-Analysator MR nicht mehr vorhergesagt werden. Die Systeme werden dann in 50% der Fälle in die +y-Richtung und in 50% der Fälle in die –y-Richtung abgelenkt. Am Spin-Analysator ML werden die Systeme weiterhin mit Sicherheit in die +z-Richtung abgelenkt. Dreht man nun auch noch die Quantisierungsachse des Spin-Analysators ML in die y-Richtung, so können auch an diesem einzelne Messwerte nicht mehr vorhergesagt werden. Dann werden auch an diesem in 50% der Fälle die Systeme in die +y-Richtung und in 50% der Fälle in die –y-Richtung abgelenkt. Es können dann zwischen den Messwerten der beiden Spin-Analysatoren ML und MR allerdings keinerlei Korrelationen mehr festgestellt werden.
In quantum physics, however, the statement "there is no interaction between systems" is generally no longer equivalent to the statement "the systems are independent". In quantum physics, this equivalence applies only to quantum systems that can be described by a product state. But not for entangled quantum systems. This can be easily demonstrated by the following example:
In the EPR Bohm thought experiment (see ), the source Q emits two spin ½ systems in the singlet state Ψ 31 (see Eq. Assuming that the source 0 does not emit the two spin ½ systems in the state Ψ 31 , but in the state | + z, + z>, one assumes that the distance between the star Gerlach systems used as spin analyzers Magnets M L and M R is chosen so large that they, based on the duration of the measurement, can be regarded as spatially separated arranged, the following results: If the spin analyzers also z-axis quantization axis, so you get strictly correlated readings. Both spin analyzers will certainly deflect the spin ½ systems in the + z direction. If, for example, the quantization axis of the spin analyzer M R arranged to the right of the source is rotated into the y direction, the measured values at the spin analyzer M R can no longer be predicted. The systems are then deflected in the + y direction in 50% of the cases and in the -y direction in 50% of the cases. At the spin analyzer M L , the systems will continue to be deflected with certainty in the + z direction. If one now also rotates the quantization axis of the spin analyzer M L in the y-direction, individual measured values can no longer be predicted there either. Then in 50% of the cases the systems are also deflected in the + y direction and in 50% of the cases in the -y direction. However, it is then no longer possible to detect any correlations between the measured values of the two spin analyzers M L and M R.

Abhängig davon, in welche Richtung die Quantisierungsachsen der Spin-Analysatoren zeigen, sind die Messwerte zwischen diesen somit unterschiedlich stark korreliert. Wie man jedoch leicht nachprüfen kann, sind die Bellschen-Ungleichungen aber immer erfüllt. Die auftretenden Korrelationen können daher für jede beliebige Orientierung der Spin-Analysatoren als Folge von Wechselwirkungen bei der Präparation der beiden Systeme in den Zustand |+z,+z> interpretiert werden. Da hier angenommen wurde, dass die Spin-Analysatoren raumartig getrennt angeordnet wurden, kann eine Wechselwirkung der Systeme zum Zeitpunkt der Messung mit Sicherheit ausgeschlossen werden. Man kann also – wie im Rahmen der klassischen Physik – von „unabhängigen Systemen” sprechen, da die Aussage „zwischen den Systemen gibt es keine Wechselwirkung” äquivalent ist zu der Aussage „die Systeme sind unabhängig”.Depending on the direction in which the quantization axes of the spin analyzers are pointing, the measured values between them are thus correlated to different degrees. However, as one can easily verify, the Bellschen inequalities are always fulfilled. The occurring correlations can therefore be interpreted for any orientation of the spin analyzers as a consequence of interactions in the preparation of the two systems in the state | + z, + z>. Since it was assumed that the spin analyzers were arranged spatially separated, an interaction of the systems at the time of measurement can be excluded with certainty. Thus, as in the case of classical physics, one can speak of "independent systems" since the statement "between systems there is no interaction" is equivalent to the statement "the systems are independent".

Emittiert die Quelle Q aber, wie im EPR-Bohm-Gedankenexperiment angenommen, zwei Spin ½ Systeme im Singulett-Zustand Ψ31, so treten zwischen den Messwerten der Spinanalysatoren für bestimmte Orientierungen Korrelationen auf, die für wechselwirkungsfreie, unabhängige Systeme nicht möglich sind. Die Bellschen-Ungleichungen werden dann verletzt. Dass die Messwerte der Spinanalysatoren für ein Quantensystem im Singulett-Zustand Ψ31 stärker korreliert sein können, als dieses für wechselwirkungsfreie, unabhängige Systeme möglich ist, lässt sich für den Singulett-Zustand auch auf eine sehr anschauliche Art und Weise erkennen. Eine wesentliche Eigenschaft des Zustands Ψ31 ist (siehe beispielsweise [31]), dass diesem keine Quantisierungsachse zugeordnet werden kann. Solange die Quantisierungsachsen der verwendeten Spin-Analysatoren immer parallel angeordnet sind, spielt es keine Rolle, in welche Richtung diese zeigen. Bezüglich der Quantisierungsachsen der Spin-Analysatoren liegt das Quantensystem dann immer im Singulett-Zustand vor. Diese Eigenschaft führt dazu, dass die Messwerte der Spin-Analysatoren, unabhängig von der Richtung der Quantisierungsachsen, immer streng anti-korreliert sind, solange die Quantisierungsachsen parallel ausgerichtet sind. Für wechselwirkungsfrei, unabhängige Systeme ist eine Korrelation dieser Art nicht möglich.However, if the source Q emits two spin ½ systems in the singlet state Ψ 31 , as assumed in the EPR-Bohm thought experiment, correlations occur between the measured values of the spin analyzers for certain orientations, which are not possible for interaction-free, independent systems. The Bellschen inequalities are then violated. The fact that the measured values of the spin analyzers for a quantum system in the singlet state Ψ 31 can be more correlated than this is possible for interaction-free, independent systems can also be seen in a very clear way for the singlet state. An essential property of state Ψ 31 is (see, for example, [31]) that no quantization axis can be assigned to it. As long as the quantization axes of the spin analyzers used are always arranged in parallel, it does not matter in which direction they point. With respect to the quantization axes of the spin analyzers, the quantum system is then always in the singlet state. This property means that the readings of the spin analyzers, regardless of the direction of the quantization axes, are always strictly anti-correlated as long as the quantization axes are aligned in parallel. For interaction-free, independent systems, a correlation of this kind is not possible.

Verschränkte Systeme scheinen somit Eigenschaften zu besitzen, die man nicht mehr den einzelnen Systemen, sondern nur noch dem Gesamtsystem zuordnen kann. Da diese Eigenschaften weder davon abhängen wie weit die Systeme voneinander entfernt sind, noch durch eine Abschirmung der Raumgebiete in denen Messungen an den Systemen durchgeführt werden beeinflusst werden, ist es naheliegend, diese Eigenschaften als „innere Eigenschaften” des Quantensystems zu bezeichnen. Damit drängt sich natürlich die Frage auf, wie es zu diesen inneren Eigenschaften von verschränkten Quantensystemen kommt? Die naheliegende Annahme ist dann natürlich, dass es Wirkungen zwischen den Quantensystemen geben muss. Allerdings kann es sich bei diesen nicht um Wechselwirkungen handeln. Denn dann müssten die Eigenschaften des physikalischen Raumes, wie beispielsweise Abschirmungen oder Variationen des Abstandes zwischen den Systemen, einen Einfluss auf die inneren Eigenschaften haben. Was aber nicht der Fall ist. Damit liegt dann aber die Vermutung nahe, dass die inneren Eigenschaften eines Quantensystems nicht im physikalischen Raum vorliegen können. In diesem Sinne könnte man also auch davon sprechen, dass die inneren Eigenschaften eine indirekte Wirkung beschreiben. Entangled systems thus seem to possess properties that can no longer be assigned to the individual systems, but only to the overall system. Since these properties do not depend on how far the systems are from each other, nor are they affected by a shielding of the spatial areas in which measurements are taken on the systems, it is obvious to call these properties "internal properties" of the quantum system. Of course, this raises the question of how these internal properties of entangled quantum systems come about? The obvious assumption is then, of course, that there must be effects between the quantum systems. However, these can not be interactions. Because then the properties of the physical space, such as shielding or variations of the distance between the systems, would have an influence on the internal properties. Which is not the case. But this suggests the assumption that the internal properties of a quantum system can not exist in physical space. In this sense one could also speak of the fact that the inner qualities describe an indirect effect.

Dass es sich bei den inneren Eigenschaften verschränkter Quantensysteme um einen grundsätzlich neuen Aspekt der Quantenphysik handelt und diese nicht als Ursache von Wechselwirkungen zwischen Quantensystemen aufgefasst werden können, sieht man natürlich schon anhand der Tatsache, dass diese aufgrund des in der Quantenphysik postulierten Superpositionsprinzips auftreten.Of course, the fact that the intrinsic properties of entangled quantum systems are fundamentally new aspects of quantum physics and can not be understood as the cause of interactions between quantum systems can already be seen from the fact that they occur due to the supposition principle postulated in quantum physics.

Wenn nun aber die Annahme zutrifft, dass verschränkten Quantensystemen innere Eigenschaften zugeordnet werden können, so stellt sich natürlich die Frage, ob nicht generell jedem Quantensystem innere Eigenschaften zugeordnet werden können? Dann würden auch Quantensysteme die durch einen Produktzustand beschrieben werden, innere Eigenschaften besitzen. Trifft der oben entwickelten Interpretationsansatz zu, so wäre dieses der Fall. Dann würden alle Quantensysteme innere Eigenschaften besitzen. Es gäbe darin keine isolierten Quantensysteme. Der Unterschied zwischen verschränkten Quantensystemen und unabhängigen Quantensystemen würde dann lediglich darin bestehen, dass für verschränkte Quantensysteme bestimmte innere Eigenschaften messtechnisch zugänglich sind, während für unabhängige Systeme diese messtechnisch nicht zugänglich sind. Mathematisch müsste sich dieser Sachverhalt dann darin wiederspiegeln, dass Eigenschaften eines Quantensystems nur über die Rechenbasis unmittelbar messtechnisch zugänglich sind, nicht jedoch über andere Basissysteme wie etwa die Bell-Basis. Die Rechenbasis müsste in diesem Sinne dann ein ausgezeichnetes Basissystem sein. Festgelegt würde diese dann durch die für das betrachtete Quantensystem möglichen energetischen Repräsentationen (siehe hierzu Abschnitt III).If, however, the assumption is true that entangled quantum systems can be assigned inner properties, then of course the question arises whether internal properties can not generally be assigned to each quantum system? Then also quantum systems that are described by a product state would have internal properties. If the interpretation approach developed above applies, then this would be the case. Then all quantum systems would possess internal properties. There would be no isolated quantum systems. The difference between entangled quantum systems and independent quantum systems would then only be that certain intrinsic properties are accessible to entangled quantum systems, whereas for independent systems they are not accessible by measurement. Mathematically, this fact would then have to be reflected in the fact that properties of a quantum system are only directly accessible via the computing basis, but not via other basic systems such as the Bell basis. The calculation base would then have to be an excellent basic system in this sense. This would then be determined by the energetic representations possible for the quantum system under consideration (see Section III).

Wenn die Annahme zutrifft, dass Quantensysteme generell innere Eigenschaften haben, so stellt sich aber auch die Frage, welche Rolle Wechselwirkungen bei der Präparation von verschränkten Quantensystemen spielen?If the assumption is true that quantum systems generally have internal properties, then the question arises as to what role interactions play in the preparation of entangled quantum systems?

Betrachtet man den im Abschnitt III beschriebenen Präparationsprozess, um zwei 40Ca+-Ionen (die sich in einer linearen Ionenfalle befinden) ausgehend von dem Produktzustand |1,1> in den Singulett-Zustand zu überführen, so fällt auf, dass für die formale Beschreibung dieser Zustandstransformation der Freiheitsgrad der gemeinsamen Schwingung der beiden Ionen entlang der Längsachse der linearen Ionenfalle überhaupt nicht erforderlich ist. Denn: Wenn man nicht an einer Beschreibung der konkret durchgeführten Präparationsschritte interessiert ist, lässt sich die Überführung des Produktzustandes |1,1> in den Singulett-Zustand formal durch den unitären Operator UB2B1 –1 (siehe Gl. 14) beschreiben.If one considers the preparation process described in Section III, in order to convert two 40 Ca + ions (which are in a linear ion trap) starting from the product state | 1,1> into the singlet state, it is noticeable that for the formal Description of this state transformation, the degree of freedom of the common vibration of the two ions along the longitudinal axis of the linear ion trap is not at all necessary. Because: If one is not interested in a description of the specifically performed preparation steps , the transfer of the product state | 1,1> into the singlet state can be formally described by the unitary operator U B2B1 -1 (see equation 14).

Doch wozu ist dann eine Wechselwirkung zwischen den Ionen (vermittelt über die Coulomb-Abstoßung) erforderlich? Wie im Abschnitt III gezeigt wurde, wird der Freiheitsgrad der gemeinsamen Schwingung der beiden Ionen entlang der Längsachse der Ionenfalle benötigt, um sicherstellen zu können, dass es prinzipiell unmöglich ist vorherzusagen, welche, der für den Singulett-Zustand möglichen energetischen Repräsentationen, tatsächlich realisiert wurde. Den Freiheitsgrad der gemeinsamen Schwingung könnte man somit auch als ein Hilfsmittel auffassen, welches zwar den Prozess der Verschränkung ermöglicht, das aber – analog zu einem Katalysator – unverändert aus dem Präparationsprozess hervorgeht. Ohne diesen Vergleich überstrapazieren zu wollen, legen die oben ausgeführten Überlegungen die Frage nahe: Geht es auch ohne Katalysator?But why is an interaction between the ions (mediated by the Coulomb repulsion) required? As shown in Section III, the degree of freedom of the common vibration of the two ions along the longitudinal axis of the ion trap is needed to ensure that it is in principle impossible to predict which one, which is possible for the singlet state of possible energetic representations, has actually been realized , The degree of freedom of the common vibration could thus also be understood as an aid, which indeed allows the process of entanglement, but which - analogous to a catalyst - emerges unchanged from the preparation process. Without wishing to overstate this comparison, the considerations outlined above suggest the question: is it also possible without a catalyst?

Hierzu möchte ich die in dargestellte Anordnung betrachten und kurz erläutern, wie diese im Rahmen des Formalismus der Quantenphysik beschrieben wird und welche Schlussfolgerungen sich nach dem oben entwickelten Interpretationsansatz ergeben. Zwei identisch aufgebaute Quellen Q1 und Q2 (sind in nicht eingezeichnet) sollen immer exakt zum selben Zeitpunkt ein Photon emittieren. Die Quelle Q1 das Photon 1 und die Quelle Q2 das Photon 2. Das Photon 1 soll auf dem Weg a auf einen symmetrischen, verlustfreien Strahlteiler ST auftreffen und das Photon 2 soll auf dem Weg b auf den Strahlteiler ST auftreffen. Die Wege a und b sollen sich auf dem Strahlteiler ST am Punkt P treffen. Weiter sollen die Wege, die die Photonen 1 und 2 von den Quellen Q1 und Q2 bis zum Auftreffpunkt P auf dem Strahlteiler zurücklegen müssen, exakt gleich lang sein. Die Quelle Q1 (Q2) soll dabei so angeordnet sein, dass das Photon 1 (Photon 2), wenn dieses am Strahlteiler reflektiert wird, sich auf dem Weg d (c) vom Strahlteiler wieder entfernt und das Photon 1 (Photon 2) wenn dieses den Strahlteiler transmittiert, sich auf dem Weg c (d) vom Strahlteiler wieder entfernt.For this I would like the in and explain how it is described within the framework of the formalism of quantum physics and what conclusions are derived from the interpretive approach developed above. Two identically constructed sources Q1 and Q2 (are in not shown) should emit a photon always exactly at the same time. The source Q1 the photon 1 and the source Q2 the photon 2. The photon 1 is to impinge on the path a on a symmetrical, lossless beam splitter ST and the photon 2 is to impinge on the path b on the beam splitter ST. The paths a and b should meet on the beam splitter ST at the point P. Furthermore, the paths which the photons 1 and 2 have to travel from the sources Q1 and Q2 to the point of impingement P on the beam splitter should be exactly the same length. The source Q1 (Q2) should be arranged so that the photon 1 (Photon 2), if this is reflected at the beam splitter, on the way d (c) from the beam splitter again and the photon 1 (Photon 2) if this the beam splitter is transmitted, on the way c (d) away from the beam splitter again.

Weiter möchte ich noch die folgende Schreibweise einführen: Fliegt ein Photon in die Richtung 1 (Weg a und c) so wird dem Photon i (i = 1,2) der Zustand |1>i zugeordnet. Fliegt das Photon i in die Richtung 0 (Weg b und d), so wird diesem der Zustand |0>i zugeordnet. Bevor die beiden unabhängigen, identischen Photonen den Strahlteiler ST erreichen, kann diesen dann der Zustand Ψ51 = |0>2|1>1 = |0,1> (51) zugeordnet werden. Wendet man nun die Strahlteilereigenschaft (1) auf den Zustand Ψ51 an, so erhält man den Ausdruck Ψ52 = 1/41/2(i|1>2|1>1 + i|0>2|0>1 + |0>2|1>1 – |1>2|0>1). (52) Furthermore, I would like to introduce the following notation: If a photon flies in the direction 1 (path a and c), the state | 1> i is assigned to the photon i (i = 1,2). If the photon i flies in the direction 0 (path b and d), the state | 0> i is assigned to it. Before the two independent, identical photons reach the beam splitter ST, then the state can = 51 = | 0> 2 | 1> 1 = | 0,1> (51) be assigned. Applying now the beam splitter property (1) to the state Ψ 51 , we obtain the expression Ψ 52 = 1/4 1/2 (i | 1> 2 | 1 > 1 + i | 0> 2 | 0> 1 + | 0> 2 | 1> 1 - | 1> 2 | 0> 1 ). (52)

Da die Photonen 1 und 2, nachdem diese den Strahlteiler passiert haben, aber als ununterscheidbar angesehen werden müssen, muss nach dem in der Quantenphysik gültigen Spin-Statistik-Theorem [45] der Ausdruck Ψ52 für Photonen (allgemein für Bosonen) noch symmetrisiert werden. Damit ergibt sich der Zustand Ψ53 = i/21/2(|1>2|1>1 + |0>2|0>1). (53) Since the photons 1 and 2 have to be regarded as indistinguishable after they have passed the beam splitter, the expression Ψ 52 for photons (generally for bosons) still needs to be symmetrized according to the spin statistics theorem [45] valid in quantum physics , This results in the state Ψ 53 = i / 2 1/2 (| 1> 2 | 1> 1 + | 0> 2 | 0> 1 ). (53)

Würde es sich hier nicht um Photonen (Bosonen), sondern um zwei Fermionen handeln, so müsste man den Ausdruck Ψ52 noch anti-symmetrisieren. Im Fall von Fermionen würde sich dann der Zustand Ψ54 = 1/21/2(|0>2|1>1 – |1>2|0>1) (54) ergeben. Den korrekten Ausdruck erhält man somit erst, nachdem man den Ausdruck Ψ52 im Fall von Bosonen symmetrisiert oder im Fall von Fermionen anti-symmetrisiert hat. Erst die Anwendung des Spin-Statistik-Theorems führt zu einer korrekten Beschreibung der betrachteten Situation am Strahlteilers ST. Nur für den Fall, dass die beiden einlaufenden Quantensysteme auch nach dem Strahlteiler ST noch als unterscheidbare Quantensysteme betrachtet werden können (beispielsweise wenn die beiden Quantensysteme zeitlich so versetzt auf dem Strahlteiler auftreffen, dass die den Systemen zugeordneten Wellenpakete nicht mehr räumlich überlappen), kann der Ausdruck Ψ52 bereits als der, sich am Strahlteiler ergebende, Zustand aufgefasst werden. Für unterscheidbare Systeme spielt es dann keine Rolle ob es sich um Bosonen oder Fermionen handelt. Die durch den Strahlteiler bewirkte Zustandstransformation kann dann in beiden Fällen durch den, die Strahlteilereigenschaft (1) beschreibenden, unitären Operator

Figure 00840001
beschrieben werden. Unterscheidbare Systeme verhalten sich somit wie unabhängige, wechselwirkungsfreie Systeme. Können die beiden Photonen nach dem Strahlteiler nicht mehr als unterscheidbare Systeme betrachtet werden, so ist zur Beschreibung der Überführung des Zustandes |0,1> in den Zustand Ψ53, im Unterschied zu dem lokalen Operator UST, ein nicht-lokaler Operator erforderlich, da die Anwendung des Spin-Statistik-Theorems zu einem verschränkten Zustand führt. In welchen Zustand die einlaufenden Photonen am Strahlteiler überführt werden, hängt somit offensichtlich von der Situation am Strahlteiler ab. Ob die Systeme nach dem Strahlteiler als unterscheidbar oder ununterscheidbar angesehen werden müssen. Können die Systeme nach dem Strahlteiler nicht mehr als unterscheidbar angesehen werden, so führt erst die Anwendung des Spin-Statistik-Theorems zu einem verschränkten Zustand.If these were not photons (bosons) but two fermions, then the expression Ψ 52 would have to be anti-symmetrized. In the case of fermions, then the state would Ψ 54 = 1/2 1/2 (| 0> 2 | 1> 1 - | 1> 2 | 0> 1 ) (54) result. The correct expression is thus obtained only after the expression Ψ 52 has been symmetrized in the case of bosons or anti-symmetrized in the case of fermions. Only the application of the spin statistics theorem leads to a correct description of the situation under consideration at the beam splitter ST. Only in the event that the two incoming quantum systems can still be regarded as distinguishable quantum systems even after the beam splitter ST (for example, if the two quantum systems hit the beam splitter in time so that the wave packets associated with the systems no longer spatially overlap), can the Expression Ψ 52 already be understood as the, resulting at the beam splitter, state. For distinguishable systems, it does not matter if they are bosons or fermions. The state transformation effected by the beam splitter can then in both cases by the unitary operator describing the beam splitter property (1)
Figure 00840001
to be discribed. Distinguishable systems behave like independent, interaction-free systems. If the two photons can no longer be regarded as distinguishable systems after the beam splitter, a non-local operator is required to describe the transformation of state | 0,1> into state Ψ 53 , in contrast to the local operator U ST . because the application of the spin statistics theorem leads to an entangled state. The state in which the incoming photons are transferred at the beam splitter thus obviously depends on the situation at the beam splitter. Whether the systems after the beam splitter must be considered as distinguishable or indistinguishable. If the systems can no longer be considered as distinguishable after the beam splitter, then the application of the spin statistics theorem leads to an entangled state.

Dieses wirft dann aber die Frage auf, welche Wirkung man der Anwendung des Spin-Statistik-Theorems zuordnen kann? Um diese Frage angehen zu können, möchte ich annehmen, dass es einen unitären Operator UNLB gibt, so das man die Wirkung der Anwendung des Spin-Statistik-Theorems mittels des unitären Operators UST in der Form Ψ53 = UNLBUST|0,1> (56) beschreiben kann. Doch welche Form hat der Operator UNLB? Um diese bestimmen zu können, möchte ich den Zustand Ψ52 umschreiben. Bezüglich der Bell-Basis erhält man: Ψ52 = 1/41/2(i|1>2|1>1 + i|0>2|0>1 + |0>2|1>1 – |1>2|0>1) = 1/21/2(iΦ+ – Ψ) = e/21/2(e–iπ/2Φ+ + Ψ) = e/21/2(|A> + |B>). (57) mit: |A> = e–iπ/2Φ+ und |B> = Ψ, wobei gilt: <A|B> = 0. However, this raises the question of what effect can be assigned to the application of the spin statistics theorem? To address this question, let me suppose that there is a unitary operator U NLB , such as the effect of applying the spin statistics theorem by means of the unitary operator U ST in the form Ψ 53 = U NLB U ST | 0.1> (56) can describe. But what form does the operator U NLB have ? To be able to determine this, I would like to rewrite the state Ψ 52 . With regard to the Bell base you get: Ψ 52 = 1/4 1/2 (i | 1> 2 | 1> 1 + i | 0> 2 | 0> 1 + | 0> 2 | 1> 1 - | 1> 2 | 0> 1 ) = 1 / 2 1/2 (iΦ + - Ψ - ) = e / 2 1/2 (e -iπ / 2 Φ + + Ψ - ) = e / 2 1/2 (| A> + | B>). (57) With: | A> = e -iπ / 2 Φ + and | B> = Ψ - , where: <A | B> = 0.

Der Zustand Ψ52 kann somit aber auch formal als ein Element eines zweidimensionalen Vektorraums aufgefasst werden, der durch die orthogonalen Zustandsvektoren |A> und |B> aufgespannt wird. Definiert man auf diesem Vektorraum den unitären Operator UNLB gemäß

Figure 00850001
so erhält man: UNLBΨ52 = e|A> = iΦ+ = Ψ53 (59) The state Ψ 52 can, however, also be formally understood as an element of a two-dimensional vector space spanned by the orthogonal state vectors | A> and | B>. If we define the unitary operator U NLB according to this vector space
Figure 00850001
so you get: U NLB Ψ 52 = e | A> = iΦ + = Ψ 53 (59)

Für die betrachtete Situation am Strahlteiler kann die Wirkung der Anwendung des Spin-Statistik-Theorems auf den Zustand Ψ52 für Bosonen somit formal mittels des Operators UNLB beschrieben werden. Für den Fall, dass es sich bei den beiden Quantensystemen nicht um Photonen (Bosonen) sondern um Fermionen handelt, erhält man sofort: UNLFΨ52 = e|B> = –Ψ = Ψ54 (60) mit: UNLF = (UNLB)–1 (61) For the considered situation at the beam splitter, the effect of the application of the spin statistics theorem on the state Ψ 52 for bosons can thus be formally described by means of the operator U NLB . In the case that the two quantum systems are not photons (bosons) but fermions, you get immediately: U NLF Ψ 52 = e | B> = -Ψ - = Ψ 54 (60) With: U NLF = (U NLB ) -1 (61)

UNLF ist somit durch den zu UNLB inversen Operator gegeben.U NLF is thus given by the operator inverse to U NLB .

Welche Wirkung den Operatoren UNLB und UNLF und damit der Anwendung des Spin-Statistik-Theorems zuordnet werden kann, lässt sich nun unmittelbar an den Eigenschaften des Zustands Ψ52 in Gl. (57) ablesen. Bei dem Zustand Ψ52 handelt es sich um einen Produktzustand der Form Ψ20, mit: φ = π/2 und θ = π. Diese haben die Eigenschaft, dass die dem Quantensystem im Zustand Ψ52 zugeordneten energetischen Repräsentationen gerade denen entsprechen, die dem Quantensystem über die inneren Eigenschaften bezüglich der Bell-Basis zugeordnet werden können (siehe hierzu auch Abschnitt III). Die bezüglich der Bell-Basis dem Quantensystem im Zustand Ψ52 über die Zustandsanteile Φ+ und Ψ zugeordneten inneren Eigenschaften müssen somit aber als für das Quantensystem physikalisch realisierte Eigenschaften aufgefasst werden. Da die den Zustandsanteilen Φ+ und Ψ zugeordneten Eigenschaften jedoch nur als Eigenschaften des Gesamtsystems betrachtet werden können, kann man den Zustand Ψ52 auch als einen Überlagerungszustand auffassen, bei dem die Teilsysteme des Quantensystems über die Zustandsanteile Φ+ und Ψ verschränkt sind. Die Teilsysteme können somit nicht als energetisch isolierte Systeme betracht werden (siehe hierzu auch Abschnitt III). Da hierdurch aber keine messtechnisch erkennbaren Korrelationen entstehen, kann man die Teilsysteme als unabhängige Systeme ansehen. Allerdings kann man in der Situation am Strahlteiler für ununterscheidbare Systeme im Zustand Ψ52 nicht davon sprechen, dass das Quantensystem bereits eine energetische Repräsentation besitzt. Ununterscheidbare Quantensysteme im Zustand Ψ52 können in der Situation am Strahlteiler nur als elementare Quantensysteme aufgefasst werden. Unterscheidbare Quantensysteme im Zustand Ψ52 sind hingegen immer energetisch repräsentierte Quantensysteme.Which effect can be assigned to the operators U NLB and U NLF, and thus to the application of the spin statistics theorem, can now be directly deduced from the properties of the state Ψ 52 in Eq. (57). The state Ψ 52 is a product state of the form Ψ 20 , with: φ = π / 2 and θ = π. These have the property that the energetic representations assigned to the quantum system in state Ψ 52 correspond precisely to those that can be assigned to the quantum system via the internal properties relating to the Bell basis (see also Section III). However, the internal properties associated with the Bell base of the quantum system in state Ψ 52 over the state components Φ + and Ψ - must thus be understood as properties physically realized for the quantum system. However, since the properties assigned to the state components Φ + and Ψ - can only be regarded as properties of the overall system, the state Ψ 52 can also be understood as an overlay state in which the subsystems of the quantum system are entangled via the state components Φ + and Ψ - . The subsystems can not therefore be regarded as energetically isolated systems (see also Section III). However, since this does not result in metrologically recognizable correlations, the subsystems can be regarded as independent systems. However, in the situation at the beam splitter for indistinguishable systems in state Ψ 52, one can not say that the quantum system already has an energetic representation. Indistinguishable quantum systems in state Ψ 52 can only be understood as elementary quantum systems in the situation at the beam splitter. Distinct quantum systems in state Ψ 52 , on the other hand, are always energetically represented quantum systems.

Die Wirkung des Operators UNLB (UNLF) kann somit darin gesehen werden, dass dieser den, aus den Zustandsanteilen Φ+ und Ψ bestehenden, Überlagerungszustand Ψ52 in einen Zustand überführt der durch den Zustandsanteil Φ+) festgelegt ist und der Zustandsvektor Φ+) als physikalisch realisierte Eigenschaft des Quantensystems erhalten bleibt. Dass dieses eine ganz bemerkenswerte Eigenschaft ist, wird klar, wenn man beispielsweise die Eigenschaften der durch die Operatoren UNLB und UNLF beschriebenen Zustandstransformationen mit denen der oben besprochenen Zustandstransformation UB2B1 –1, welche die Überführung des Produktzustands |1,1> in den Singulett-Zustand beschreibt, vergleicht. In beiden Fällen wird ein Produktzustand in einen verschränkten Zustand überfuhrt. Während jedoch der Operator UNLB (UNLF) den Zustandsanteil Φ+) als physikalisch realisierte Eigenschaft erhält, kann im Falle des Operators UB2B1 –1 nicht davon gesprochen werden, dass dieser einen Zustandsvektor als eine bereits physikalisch realisierte Eigenschaft erhält. Denn: Dem Produktzustand |1,1> kann weder der Zustandsanteil Ψ als physikalisch realisierte Eigenschaft zugeordnet werden, noch kann der Produktzustand |1,1> bezüglich der Bell-Basis als Überlagerungszustand aufgefasst werden, da die dem Zustand in der Bell-Basis zugeordneten Zustandsanteile Φ+ und Φ lediglich als inhärente Eigenschaften nicht jedoch als physikalisch realisierte Eigenschaften zugeordnet werden können.The effect of the operator U NLB (U NLF ) can thus be seen in the fact that this, the state of superposition Ψ 52 consisting of the state components Φ + and Ψ - converted into a state by the state component Φ +- ) is fixed and the state vector Φ +- ) is retained as a physically realized property of the quantum system. That this is a quite remarkable property becomes clear when one considers, for example, the properties of the state transformations described by the operators U NLB and U NLF with those of the state transformation U B2B1 -1 discussed above, which the conversion of the product state | 1,1> into the Singlet state describes, compares. In both cases, a product state is converted into an entangled state. However, while the operator U NLB (U NLF ) obtains the state component Φ +- ) as a physically realized property, in the case of the operator U B2B1 -1 it can not be said that it receives a state vector as an already physically realized property. Because: The product state | 1,1> can not be assigned the state part Ψ - as a physically realized property, nor can the product state | 1,1> be interpreted as a superposition state with respect to the Bell basis, since the state in the Bell basis associated state portions Φ + and Φ - can be assigned only as inherent properties but not as physically realized properties.

Die dem Operator UB2B1 –1 zugeordnete Wirkung unterscheidet sich somit ganz grundsätzlich von der Wirkung, die den Operatoren UNLB und UNLF zugeschrieben werden kann. Damit liegt natürlich die Vermutung nahe, dass sich auch das dem Operator UB2B1 –1 zugeordnete Präparationsverfahren grundsätzlich von dem Präparationsverfahren unterscheiden muss, dass den Operatoren UNLB und UNLF zugeordnet wird. Doch worin kann der wesentliche Unterschied gesehen werden?The effect associated with the operator U B2B1 -1 thus differs quite fundamentally from the effect that can be attributed to the operators U NLB and U NLF . This naturally suggests that the preparation procedure assigned to the operator U B2B1 -1 must also fundamentally differ from the preparation procedure assigned to the operators U NLB and U NLF . But in what can the main difference be seen?

Klar ist, dass in beiden Fällen die Präparationsprozesse so gestaltet sein müssen, dass es im Prinzip unmöglich ist, vorherzusagen, welche energetische Repräsentation tatsächlich realisiert wird. Der wesentliche Unterschied liegt lediglich darin, wie dieses Ziel erreicht wird. Während im Fall des Operators UB2B1 –1 das verwendete Präparationsverfahren darauf aufbaut, dass einzelne Ionen gezielt mittels des Manipulationslasers manipuliert werden können (siehe Abschnitt III), ist dieses offensichtlich in der Situation am Strahlteiler prinzipiell unmöglich. Am Strahlteiler hat man weder die Möglichkeit an einzelnen Teilsystemen gezielte Präparationsschritte durchzuführen, noch die Möglichkeit den Vorgang als solchen in irgendeiner Art und Weise zu beeinflussen. Damit ist gemeint, dass im Unterschied zu der Zustandspräparation mittels des Manipulationslasers, bei dem der sich ergebende Zustand unmittelbar von den Eigenschaften des Laserlichtes des Manipulationslasers, wie etwa der korrekten Wahl der Intensität, der Puldauer und der relativen Phasenlage des Laserpulses zum oszillierenden elektrischen Moment der beleuchteten 40Ca+-Ionen abhängt, es in der Situation am Strahlteiler prinzipiell keine Parameter gibt, über die der Vorgang der Zustandspräparation beeinflusst werden könnte.It is clear that in both cases the preparation processes have to be designed in such a way that it is in principle impossible to predict which energetic representation is actually realized. The main difference lies in how this goal is achieved. While in the case of the operator U B2B1 -1 the preparation method used is based on the fact that individual ions can be manipulated specifically by means of the manipulation laser (see Section III), this is obviously impossible in the situation at the beam splitter in principle. At the beam splitter you have neither the possibility to perform specific preparation steps on individual subsystems, nor the possibility to influence the process as such in any way. By this is meant that, in contrast to the state preparation by means of the manipulation laser, in which the resulting state directly from the properties of the laser light of the manipulation laser, such as the correct choice of intensity, the Puldauer and the relative phase of the laser pulse to the oscillating electrical moment of illuminated 40 Ca + ions depends, there are no parameters in the situation at the beam splitter in principle, on the process of state preparation may be affected.

Genau dieser Sachverhalt scheint mir der wesentliche Punkt zu sein, da dieser es ermöglicht, den für die Anwendung des Spin-Statistik-Theorems wesentlichen Begriff der „Ununterscheidbarkeit” auf Präparationsprozesse zu übertragen und in Form des Postulats (P2) zu verallgemeinern:
P2): Kann einem aus zwei identischen Bosonen (Fermionen) bestehenden Quantensystem für den betrachteten Freiheitsgrad ein Zustand der Form Ψ52 zugeordnet werden, so kann der Operator UNLB (UNLF) immer genau dann physikalisch realisiert werden, wenn das Quantensystem für den betrachteten Freiheitsgrad keine energetische Repräsentation besitzt und es einen Präparationsprozess gibt, der für den relevanten Freiheitsgrad das Quantensystem in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem überführt und die folgenden Bedingungen erfüllt: (P2.1): Es muss prinzipiell unmöglich sein, einzelne Bosonen (Fermionen) gezielt manipulieren zu können und (P2.2): Es muss prinzipiell unmöglich sein, den Vorgang als solchen in irgendeiner Art und Weise zu beeinflussen. Jeder Präparationsprozess der die Bedingungen (P2.1) und (P2.2) erfüllt, überführt dann den Zustand Ψ52 in den Zustand Ψ5354).
Exactly this fact seems to me to be the essential point, since it makes it possible to transfer the concept of "indistinguishability" essential for the application of the spin-statistics theorem to preparation processes and to generalize it in the form of the postulate (P2):
P2): If a state of the form Ψ 52 can be assigned to a quantum system consisting of two identical bosons (fermions) for the considered degree of freedom, then the operator U NLB (U NLF ) can always be physically realized if and only if the quantum system for the considered one Degree of freedom has no energetic representation and there is a preparation process that transforms the quantum system into an energetically represented quantum system for the relevant degree of freedom and fulfills the following conditions: (P2.1): In principle it must be impossible to manipulate individual bosons (fermions) can and (P2.2): In principle, it must be impossible to influence the process as such in any way. Each preparation process that satisfies conditions (P2.1) and (P2.2) then converts state Ψ 52 to state Ψ 5354 ).

Aufgrund der vorangegangenen Überlegungen ist klar, dass Postulat (P2) die Situation am Strahlteiler korrekt beschreibt. Doch worin besteht die Verallgemeinerung? Der wesentliche Punkt ist, dass (P2) formuliert werden kann, ohne auf den Begriff „ununterscheidbar” Bezug nehmen zu müssen. Im Unterschied zum Spin-Statistik-Theorems wird in (P2) nicht explizit gefordert, dass die beteiligten Quantensysteme ununterscheidbar sein müssen. Allerdings kann hieraus noch nicht geschlossen werden, dass Postulat (P2) die Forderung nach der Ununterscheidbarkeit der Systeme nicht implizit enthält. Zumindest für Spin 1/2 Systeme lässt sich jedoch anhand des im Folgenden beschriebenen Gedankenexperimentes überprüfen, ob die Bedingungen (P2.1) und (P2.2) in Postulat (P2) die Forderung nach der Ununterscheidbarkeit der beteiligten Systeme implizit enthalten:
Hierzu möchte ich zwei identische Spin 1/2 Systeme betrachten, die in Ruhe sind. Der Abstand zwischen diesen soll so groß sein, dass diese nicht in Wechselwirkung treten können. Weiter möchte ich annehmen, dass den beiden Systemen ein homogenes Magnetfeld Bz in z-Richtung überlagert werden kann. Dieses soll beliebig ein- und ausgeschaltet werden können. Bei eingeschaltetem Magnetfeld Bz ist die Energiedifferenz zwischen den beiden energetischen Eigenzuständen der Spin 1/2 Systeme dann gegeben durch ΔEz = 2μBz (siehe hierzu Abschnitt IV). Der energetisch tiefer liegende energetische Eigenzustand des i-ten Systems (i = 1,2) sei mit |1>i und der energetisch höher liegende Eigenzustand sei mit |0>i bezeichnet. Zu Beginn sei das Magnetfeld ausgeschaltet und das aus den beiden Spin 1/2 Systemen bestehende Quantensystem soll in dem Produktzustand Ψ52 vorliegen. Da bei ausgeschaltetem Magnetfeld die beiden Energieniveaus zusammenfallen, besitzt das Quantensystem keine energetische Repräsentation. Das Quantensystem muss daher als elementares Quantensystem betrachtet werden. Nun kann man aber die Überführung eines elementaren Quantensystems in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem als Präparationsschritt auffassen. Dieser kann dadurch realisiert werden, dass man das Quantensystem in ein Magnetfeld bringt oder ein Magnetfeld einschaltet (siehe hierzu auch Abschnitt IV). Für den Ein- und Ausschaltvorgang des homogenen Magnetfeldes Bz soll die Randbedingung (R3) erfüllt sein: ΔtS < tmax = h/(4πΔEz/2), (R3) wobei mit ΔtS die Zeit die man zum Ein- bzw. Ausschalten des Magnetfeldes benötigt, mit h das Planksche Wirkungsquantum und mit tmax die über die Energie-Zeit-Unschärferelation Gl. (29) vorgegebene maximal mögliche Zeit bezeichnet sei (siehe hierzu auch Abschnitt V).
Based on the preceding considerations, it is clear that postulate (P2) correctly describes the situation at the beam splitter. But what is the generalization? The essential point is that (P2) can be formulated without having to refer to the term "indistinguishable". In contrast to the spin statistics theorem, (P2) does not explicitly require that the quantum systems involved must be indistinguishable. However, it can not be concluded from this that Postulate (P2) does not implicitly include the requirement for the indistinguishability of the systems. However, at least for spin 1/2 systems, it is possible to check, using the thought experiment described below, whether conditions (P2.1) and (P2.2) in postulate (P2) implicitly include the requirement for the indistinguishability of the systems involved:
I would like to consider two identical spin 1/2 systems that are at rest. The distance between these should be so large that they can not interact. Furthermore, I would like to assume that the two systems can be superimposed with a homogeneous magnetic field B z in the z-direction. This should be able to be turned on and off as desired. When the magnetic field B z is activated, the energy difference between the two energetic eigenstates of the spin 1/2 systems is given by ΔE z = 2μB z (see Section IV). The energetically lower energy eigenstate of the ith system (i = 1, 2) is given by | 1> i and the higher energy eigenstate is denoted by | 0> i . At the beginning, the magnetic field is switched off and the quantum system consisting of the two Spin 1/2 systems should be present in the product state Ψ 52 . Since the two energy levels coincide when the magnetic field is switched off, the quantum system has no energy representation. The quantum system must therefore be considered as an elementary quantum system. Now, however, the transfer of an elementary quantum system into an energetically represented quantum system can be considered as a preparation step. This can be realized by placing the quantum system in a magnetic field or by switching on a magnetic field (see also Section IV). For the activation and deactivation process of the homogeneous magnetic field B z , the boundary condition (R3) should be satisfied: Δt S <t max = h / (4πΔE z / 2), (R3) where Δt S is the time required to turn the magnetic field on or off, with h the Plank's effect quantum and with t max the energy-time uncertainty relation Eq. (29) given maximum possible time is designated (see also section V).

Schaltet man das Magnetfeld Bz nun so ein, dass die Randbedingung (R3) erfüllt ist, so erfüllt der, durch den Einschaltvorgang des homogenen Magnetfeldes Bz realisierte, Präparationsschritt die in (P2) geforderten Bedingungen um den Operator UNLF physikalisch realisieren zu können. Denn: Bedingung (P2.1) ist erfüllt, da angenommen wurde, dass das Magnetfeld Bz homogen ist und somit auf beide Spin 1/2 Systeme zu jedem Zeitpunkt immer dasselbe Magnetfeld einwirkt. Bedingung (P2.2) ist erfüllt, da die Randbedingung (R3) sicherstellt, dass den energetischen Eigenzuständen der Systeme während des Einschaltvorgangs (also für Zeiten < tmax) keine definierte Energie und daher dem Quantensystem auch keine zeitliche Zustandsentwicklung zugeordnet werden kann. Was zur Folge hat, dass es prinzipiell unmöglich ist den Präparationsprozess gezielt zu beeinflussen. Da somit die für die Anwendbarkeit von Postulat (P2) erforderlichen Bedingungen erfüllt sind, kann (P2) auf das Gedankenexperiment angewendet werden. Nach Postulat (P2) muss das Quantensystem daher nach dem Einschaltvorgang als energetisch repräsentiertes Quantensystem im Zustand Ψ vorliegen.If one switches the magnetic field B z is now so that the boundary condition (R3) is satisfied, so full of, by the switching-on of the homogeneous magnetic field B z realized to preparation step realize the required in (P2) conditions to the operator U NLF physico , Because: Condition (P2.1) is met, since it was assumed that the magnetic field B z is homogeneous and thus always affects the same magnetic field on both spin 1/2 systems at any given time. Condition (P2.2) is fulfilled, since the boundary condition (R3) ensures that the energetic eigenstates of the systems during the switch-on process (ie for times <t max ) no defined energy and therefore no temporal state development can be assigned to the quantum system. As a result, it is impossible to influence the preparation process in a targeted way. Since the conditions necessary for the applicability of postulate (P2) are fulfilled, (P2) can be applied to the thought experiment. According to postulate (P2), the quantum system must therefore be present as energetically represented quantum system in the state Ψ - after the switch-on process.

Das Gedankenexperiment lässt sich wohl am einfachsten mittels der in [51] beschriebenen Microchip-Ionenfallen realisieren. Diese miniaturisierten Ionenfallen erlauben es, das der Ionenfalle überlagerte Magnetfeld über hinreichend niederinduktive Luftspulen in Form einer Helmholtz-Anordnung zu erzeugen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das der Ionenfalle überlagerte homogene Magnetfeld gemäß Randbedingung (R3) hinreichend schnell ein- und ausgeschaltet werden kann. Um das Gedankenexperiment durchführen zu können, wird dann in einem ersten Schritt in zwei identischen Ionenfallen je ein 40Ca+-Ion eingefangen. Die Qubits werden über die Energieniveaus |1> und |0> der 40Ca+-Ionen realisiert (siehe ). Dann wird das aus den zwei Ionen bestehende Quantensystem nach dem im Abschnitt III beschriebenen Verfahren in den Zustand Ψ52 präpariert. Hierfür sei angenommen, dass den beiden Ionenfalle je ein (identisches) Magnetfeld Bz mit der z-Achse als Quantisierungsachse überlagert sei. Um das Gedankenexperiment durchführen zu können, muss der Zustand des Quantensystems allerdings durch die Energieniveaus |1> und |2> repräsentiert sein (siehe hierzu auch ). Dieses kann über einen geeigneten π-Puls (siehe auch Abschnitt IV) erreicht werden. Der formale Zustand des Gesamtsystems wird durch diesen Präparationsschritt nicht beeinflusst (siehe Abschnitt IV). Nachdem die Ionen in den Zustand Ψ52 präpariert wurden, sollen nacheinander die den einzelnen Ionenfallen überlagerten Magnetfelder ausgeschaltet werden. Dabei sollen die den Ionenfallen überlagerten Magnetfelder so ausgeschaltet werden, dass der Zustand Ψ52 erhalten bleibt. Dieses kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Magnetfelder unter Einhaltung der Randbedingung (R3) ausgeschaltet werden und die unterschiedlichen Ausschaltzeitpunkt so gewählt werden, dass mit Sicherheit der Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation nicht eintreten kann (siehe hierzu die Bemerkungen weiter unten) und sich für die Zustandsanteile des Quantensystems die korrekte Phase ergibt (siehe hierzu auch Abschnitt VI). Danach liegt das Quantensystem dann als elementares Quantensystem im Zustand Ψ52 vor. Werden nun die den Ionenfallen überlagerbaren Magnetfelder Bz gemäß Randbedingung (R3) wieder nach einiger Zeit gleichzeitig eingeschaltet, so sollte hierdurch das Quantensystem in den energetisch repräsentierten Zustand Ψ54 überführt werden, sofern Postulat (P2) korrekt ist. Um das im Abschnitt III beschriebene Verfahren zur Zustandsanalyse anwenden zu können, muss der Zustand des Quantensystems durch die Energieniveaus |0> und |1> repräsentiert sein. Dieses kann wieder durch einen geeignet gewählten π-Puls erreicht werden (siehe Abschnitt IV).The thought experiment can most easily be realized by means of the microchip ion traps described in [51]. These miniaturized ion traps allow the magnetic field superimposed on the ion trap to be generated via sufficiently low-inductive air coils in the form of a Helmholtz arrangement. In this way it can be ensured that the homogeneous magnetic field superimposed on the ion trap can be switched on and off sufficiently quickly in accordance with the boundary condition (R3). In order to carry out the thought experiment, a 40 Ca + ion is captured in two identical ion traps in a first step. The qubits are realized via the energy levels | 1> and | 0> of the 40 Ca + ions (see ). Then the quantum system consisting of the two ions is prepared according to the method described in Section III in the state Ψ 52 . For this purpose, it is assumed that the two ion traps each have an (identical) magnetic field B z superposed with the z axis as the quantization axis. However, in order to perform the thought experiment, the state of the quantum system must be represented by the energy levels | 1> and | 2> (see also ). This can be achieved via a suitable π-pulse (see also Section IV). The formal state of the whole system is not affected by this preparation step (see section IV). After the ions have been prepared in state Ψ 52 , the magnetic fields superimposed on the individual ion traps are to be switched off one after the other. In this case, the magnetic fields superimposed on the ion traps should be switched off in such a way that state Ψ 52 is maintained. This can be realized, for example, by switching off the magnetic fields in compliance with the boundary condition (R3) and selecting the different switch-off times so that the process of coherently coupled vacuum fluctuation can certainly not occur (see the remarks below) and for the state parts of the quantum system give the correct phase (see also Section VI). The quantum system then exists as an elementary quantum system in state Ψ 52 . If the magnetic fields B z which can be superimposed on the ion traps are again switched on at the same time after a certain time according to the boundary condition (R3), the quantum system should be converted into the energetically represented state Ψ 54 , provided that the postulate (P2) is correct. In order to apply the state analysis procedure described in Section III, the state of the quantum system must be represented by the energy levels | 0> and | 1>. This can again be achieved by a suitably chosen π-pulse (see Section IV).

Eine wichtige Anwendung könnte für das Gedankenexperiment in der Realisierung einer wechselwirkungsfreien Verschränkung von Quantensystemen in Quantencomputern liegen. Auch wenn das Gedankenexperiment mittels Micro-Ionenfallen einfach durchgeführt werden kann, sind diese für Quantencomputer wohl ungeeignet, da der technische Aufwand viel zu groß sein dürfte. Der für Quantencomputer aussichtsreichste Kandidat könnte Diamant sein, da Diamant die technische Realisierung von Quantenbits bei Raumtemperatur ermöglicht. Entsprechende Experiment werden beispielsweise in [50] beschrieben. In Diamant können einzelne Quantenbits durch, in natürlichem Diamant mit etwa 1%, enthaltene 13C-Isotope realisiert werden. 13C hat einen, im Gegensatz zu 12C, von Null verschiedenen Kernspin (s = 1/2). Ausgelesen oder adressiert werden können diese durch NV-Zentren (siehe hierzu [50]). Gelingt es das oben beschriebene Gedankenexperiment auch mit Quantenbits die durch 13C Atome in Diamant realisiert werden durchzuführen, so wäre dieses ein wichtiger Schritt hin zu einem technisch, mit vertretbaren Aufwand realisierbaren Quantencomputer.An important application could be for the thought experiment in the realization of an interaction-free entanglement of quantum systems in quantum computers. Although the thought experiment using micro-ion traps can be easily performed, these are probably unsuitable for quantum computer, since the technical complexity is likely to be too large. The most promising for quantum computers Candidate could be diamond, as diamond allows the technical realization of quantum bits at room temperature. Corresponding experiments are described, for example, in [50]. In diamond single quantum bits can be realized by 13 C isotopes contained in natural diamond with about 1%. 13 C has one, in contrast to 12 C, non-zero nuclear spin (S = 1/2). These can be read or addressed by NV centers (see [50]). If the thought experiment described above can also be carried out with quantum bits which are realized by 13 C atoms in diamond, this would be an important step towards a quantum computer which can be realized technically and with reasonable effort.

Sollte das Gedankenexperiment erfolgreich durchgeführt werden können, so wäre zumindest für Spin 1/2 Systeme gezeigt, dass Postulat (P2) auch auf unterscheidbare Quantensysteme angewendet werden kann. Das Gedankenexperiment ist aber auch hinsichtlich eines weiteren Aspektes von grundlegender Bedeutung. Aufgrund der gewählten Randbedingungen kann es zwischen den beiden Spin 1/2 Systemen keine Wechselwirkungen geben. Der die Zustandstransformation beschreibende nicht-lokale Operator UNLF kann daher nicht als Wechselwirkungs-Operator aufgefasst werden. Wenn also das Gedankenexperiment erfolgreich durchgeführt werden kann, muss es auch zwischen unabhängigen Quantensystemen Wirkungen geben. Wenn dieses zutrifft, können unabhängige Spin 1/2 Systeme nicht als isolierte Quantensysteme betrachtet werden und die Interpretation (IN5) muss -zumindest für Spin 1/2 Systemegültig sein.If the thought experiment can be carried out successfully, at least for spin 1/2 systems it would be shown that postulate (P2) can also be applied to distinguishable quantum systems. However, the thought experiment is also of fundamental importance with regard to another aspect. Due to the selected boundary conditions, there can be no interaction between the two Spin 1/2 systems. The non-local operator U NLF describing the state transformation can therefore not be understood as an interaction operator. So if the thought experiment can be successfully carried out, there must also be effects between independent quantum systems. If true, independent spin 1/2 systems can not be considered as isolated quantum systems, and the interpretation (IN5) must be valid for at least Spin 1/2 systems.

Betrachtet man das oben beschriebene Gedankenexperiment genauer, so fällt auf, dass unter der, für das Gedankenexperiment angenommenen, Randbedingung (R3) immer der in Postulat (P1) postulierte Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation auftreten kann. Den Operator UNLF könnte man daher auch so interpretieren, dass dieser den Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuation beschreibt. Trifft diese Interpretation zu, so würde das bedeuten, dass kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen unter diesen Bedingungen nach Postulat (P2) mit Sicherheit eintreten. Den Grund hierfür könnte man dann auch darin sehen, dass der Zustandsvektor Ψ als physikalisch realisierte Eigenschaft des Quantensystems erhalten bleibt.Looking more closely at the thought experiment described above, it is noticeable that under the boundary condition (R3) assumed for the thought experiment, the process of coherently coupled vacuum fluctuation postulated in postulate (P1) can always occur. The operator U NLF could therefore also be interpreted as describing the process of coherently coupled vacuum fluctuation. If this interpretation were correct, this would mean that coherently coupled vacuum fluctuations under these conditions occur with certainty after postulate (P2). The reason for this could then also be seen in the fact that the state vector Ψ - is preserved as a physically realized property of the quantum system.

Da nach Postulat (P1) für den das Quantensystem beschreibenden Zustand nur gefordert wird, dass dieser den Zustandsanteil Ψ enthalten muss, sollte das oben beschriebene Gedankenexperiment dann aber auch durchgeführt werden können, wenn als Ausgangszustand nicht der Zustand Ψ52 sondern allgemein ein Zustand der Form Ψ20 mit beliebigen (reellen) Phasen φ und θ, als elementarer Zustand für das Quantensystem gewählt wird.Since according to postulate (P1) for the state describing the quantum system only that it must contain the state component Ψ - , the thought experiment described above should then also be able to be carried out if the initial state is not the state Ψ 52 but generally a state of Form Ψ 20 with arbitrary (real) phases φ and θ, is chosen as an elementary state for the quantum system.

Schreibt man den Produktzustand Ψ20 wieder gemäß Ψ20 = e/21/2(1/21/2(|0,0> – ei2φ|1,1>) + eΨ) = ei(θ+φ)/21/2(e–iφ/21/2(|0,0> – ei2φ|1,1>) + Ψ) = ei(θ+φ)/21/2(|A> + |B>) (62) mit: |A> = e–iφ/21/2(|0,0> – ei2φ|1,1>) und |B> = Ψ, wobei gilt: <A|B> = 0, um, so kann auf dem, durch die Vektoren |A> und |B> aufgespannten Hilbertraum wieder analog zu Gl. (61) und Gl. (58) ein Operator UNLF definiert werden, für den gilt: UNLF20) = ei(θ+φ)|B> = ei(θ+φ)Ψ (63) Write the product condition Ψ 20 again according to Ψ 20 = e / 2 1/2 (1/2 1/2 (| 0,0> - e i2φ | 1,1>) + e Ψ - ) = e i (θ + φ) / 2 1 / 2 (e -iφ / 2 1/2 (| 0,0> - e i2φ | 1,1>) + Ψ - ) = e i (θ + φ) / 2 1/2 (| A> + | B> ) (62) With: | A> = e -iφ / 2 1/2 (| 0,0> - e i2φ | 1,1>) and | B> = Ψ - , where: <A | B> = 0, um, on the Hilbert space spanned by the vectors | A> and | B>, analogous to Eq. (61) and Eq. (58) an operator U NLF can be defined for which: U NLF20 ) = e i (θ + φ) | B> = e i (θ + φ) Ψ - (63)

Dieser hat dann natürlich formal dieselbe Form wie der Operator UNLF in (P2) (siehe Gl. (61) in Verbindung mit Gl. (58)).Of course, this formally has the same form as the operator U NLF in (P2) (see equation (61) in connection with equation (58)).

Wird also als Ausgangszustand in dem oben beschriebenen Gedankenexperiment der Zustand Ψ20 mit beliebigen (reellen) Phasen φ und θ, als elementarer Zustand für das Quantensystem gewählt, und wird dann das Magnetfeld Bz unter Berücksichtigung von Randbedingung (R3) eingeschaltet, so sollte das Quantensystem, bis auf die globale, nicht beobachtbare Phase ei(θ+φ), danach im energetisch repräsentierten Zustand Ψ vorliegen.Thus, if the state Ψ 20 with arbitrary (real) phases φ and θ, as the elementary state for the quantum system, is selected as the initial state in the thought experiment described above, and then the magnetic field B z is switched on taking into account the boundary condition (R3), then Quantum system, except for the global, unobservable phase e i (θ + φ) , then in the energetically represented state Ψ - present.

Auch bietet das Gedankenexperiment die Möglichkeit, die bereits in Abschnitt V und VI diskutierte Frage zu untersuchen, ob der Abstand zwischen den Teilsystemen, zwischen denen eine kohärent gekoppelte Vakuumfluktuation auftreten kann (hier den beiden Spin 1/2 Systemen) beliebig groß sein kann, oder ob dieser nach oben begrenzt ist.The thought experiment also offers the opportunity to examine the question already discussed in Sections V and VI as to whether the distance between the subsystems, between which a coherently coupled vacuum fluctuation can occur (here the two Spin 1/2 systems), can be arbitrarily large, or whether this is limited to the top.

Ich möchte hier noch kurz auf einen weiteren Anwendungsfall für die in [51] beschriebenen Micro-Ionenfallen eingehen. Das in Abschnitt VI beschriebene Gedankenexperiment lässt sich auch mittels zweier Micro-Ionenfallen realisieren. Hierzu werden in jeder Ionenfalle zwei 40Ca+-Ionen eingefangen. Die Qubits werden über die Energieniveaus |1> und |0> der 40Ca+-Ionen realisiert (siehe ). In der Ionenfalle 1 seien die Ionen S1 und S2 und in der Ionenfalle 2 die Ionen S3 und S4 lokalisiert. Beiden Ionenfallen sei ein (identisches) Magnetfeld B2 überlagert. In jeder Ionenfalle werden dann die beiden dort lokalisierten Ionen in den Singulett-Zustand präpariert, so dass sich für den Zustand des Gesamtsystems wieder der Zustand Ψ 43/21 ergibt. Um die in den einzelnen Ionenfallen befindlichen Ionen in den Singulett-Zustand präparieren zu können, soll der Abstand der Ionen in den Ionenfallen zunächst so klein gewählt sein, dass diese mittels der Coulomb-Abstoßung in Wechselwirkung treten können und das in Abschnitt III beschriebene Präparationsverfahren realisiert werden kann. Um das Gedankenexperiment durchführen zu können, muss der Zustand des Quantensystems allerdings durch die Energieniveaus |1> und |2> repräsentiert sein (siehe hierzu auch ). Dieses kann über einen geeigneten π-Puls (siehe auch Abschnitt IV) erreicht werden. Nun muss der Abstand der Ionen in den Fallen lediglich auf einige mm vergrößert werden, um die zwischen den Ionen mögliche Coulomb-Abstoßung vernachlässigen zu können. Für die den beiden Ionenfallen überlagerten Magnetfelder möchte ich annehmen, dass diese auf den Raumbereich einzelner Ionen beschränkt, lokal unter Einhaltung der Randbedingung (R3) ein- und ausgeschaltet werden können. Es soll also möglich sein, in den, den einzelnen Ionen zugeordneten Raumbereichen die Magnetfelder Bz ein- und ausschalten zu können, ohne dass hierdurch die den jeweils anderen Raumbereichen (die jeweils ebenfalls ein Ion enthalten) überlagerten Magnetfelder Bz beeinflusst werden. Die Variante 2 des in Abschnitt VI beschriebenen Gedankenexperimentes könnte nun einfach dadurch realisiert werden, dass in den Bereichen, die die Ionen S1 und S4 enthalten, gleichzeitig die Magnetfelder Bz unter Einhaltung der Randbedingung (R3) ausgeschaltet werden und zu geeignet gewählten Zeitpunkten, wieder unter Einhaltung von (R3), die Magnetfelder wieder zeitlich verzögert eingeschaltet werden (siehe Abschnitt VI). Danach sollte dann das Quantensystem als energetisch repräsentiertes Quantensystem im Zustand Ψ49 vorliegen, wenn das Gedankenexperiment in der Variante 2 erfolgreich realisiert werden kann. Um das im Abschnitt III beschriebene Verfahren zur Zustandsanalyse anwenden zu können, muss der Zustand des Quantensystems durch die Energieniveaus |0> und |1> repräsentiert sein. Dieses kann wieder durch einen geeignet gewählten π-Puls erreicht werden (siehe Abschnitt IV). Analog kann natürlich auch die Variante 1 des Gedankenexperimentes realisiert werden.

  • VIII. Philosophische Konsequenzen: Die sich aus dem im Abschnitt VI vorgeschlagenen Gedankenexperiment ergebenden Konsequenzen wären allerdings nicht nur auf unser physikalisches Weltbild beschränkt. Bei vielen Wissenschaftlern scheint sich die Vorstellung durchgesetzt zu haben, dass es so etwas wie Bewusstsein als eigenständige Eigenschaft nicht geben kann (siehe beispielsweise [39], [40], [41]). Diese Vorstellung beruht in der Regel auf der philosophischen Position des ontologischen Materialismus. Der Materialismus geht davon aus, dass es auch für eine Eigenschaft, wie etwa das Bewusstsein, eine materielle Basis geben muss. Bei geeignet gewählter materieller Basis, kann dann aus physikalischen Wechselwirkungen Bewusstsein hervorgehen. Bewusstsein ist damit lediglich die Folge dieser physikalischen Wechselwirkungen. Damit es so etwas wie Bewusstsein geben kann, muss es somit eine materielle Basis geben, auf der dann das Bewusstsein entstehen kann. Bewusstsein oder auch ganz allgemein mentalen Prozessen wird somit eine passive Rohe zugeordnet, die bestimmte Gehirnaktivitäten lediglich „begleiten”. Man spricht dem Bewusstsein damit aber jede kausale Wirkung ab. Doch auf welchen Erkenntnissen beruhen diese Vorstellungen? Als Begründung wird lediglich darauf verwiesen, dass es keinerlei Hinweise gibt, dass es so etwas wie Bewusstsein als eigenständige Eigenschaft geben könnte. Berücksichtigt man dann noch die Tatsache, dass es bis heute noch nicht einmal möglich ist, eine brauchbare Definition oder wenigstens konkrete Vorstellungen, hinsichtlich der für mentale Prozesse erforderlichen Voraussetzungen gibt, so kann man diesen Standpunkt nicht wirklich als überzeugend ansehen.
I would like to briefly discuss another application for the micro-ion traps described in [51]. The thought experiment described in Section VI can also be realized by means of two micro-ion traps. For this purpose, two 40 Ca + ions are trapped in each ion trap. The qubits are realized via the energy levels | 1> and | 0> of the 40 Ca + ions (see ). In the ion trap 1, the ions S 1 and S 2 and in the ion trap 2, the ions S 3 and S 4 are located. Both ion traps are superimposed on an (identical) magnetic field B 2 . In each ion trap, the two localized ions are then prepared into the singlet state, so that the state Ψ - 43/21 results again for the state of the entire system. In order to be able to prepare the ions located in the individual ion traps in the singlet state, the distance of the ions in the ion traps should initially be chosen so small that they can interact by means of Coulomb repulsion and realized the preparation method described in Section III can be. However, in order to perform the thought experiment, the state of the quantum system must be represented by the energy levels | 1> and | 2> (see also ). This can be achieved via a suitable π-pulse (see also Section IV). Now, the distance of the ions in the traps only has to be increased to a few mm to neglect the Coulomb repulsion between the ions. For the magnetic fields superimposed on the two ion traps, I would like to assume that these are limited to the spatial region of individual ions and can be switched on and off locally while observing the boundary condition (R3). It should therefore be possible, in the one assigned to the individual ion space regions, the magnetic fields B z switched on and to switch off, without thereby affecting the the respective other space portions (each also contain an ion) superimposed magnetic fields B are influenced z. Variant 2 of the thought experiment described in Section VI could now be realized simply by simultaneously switching off the magnetic fields B z in the regions containing the ions S 1 and S 4 while observing the boundary condition (R3) and at suitably selected times , again in compliance with (R3), the magnetic fields are switched on again after a time delay (see section VI). Then the quantum system should be present as an energetically represented quantum system in state Ψ 49 , if the thought experiment in variant 2 can be successfully realized. In order to apply the state analysis procedure described in Section III, the state of the quantum system must be represented by the energy levels | 0> and | 1>. This can again be achieved by a suitably chosen π-pulse (see Section IV). Analogously, of course, the variant 1 of the thought experiment can be realized.
  • VIII. Philosophical Consequences: The consequences of the thought experiment proposed in Section VI, however, would not be limited only to our physical world view. For many scientists, the notion that there is no such thing as consciousness as an independent property seems to have prevailed (see, for example, [39], [40], [41]). This idea is usually based on the philosophical position of ontological materialism. Materialism assumes that there must also be a material basis for a quality, such as consciousness. With a suitably chosen material basis, then physical interactions can give rise to consciousness. Consciousness is thus merely the consequence of these physical interactions. In order for there to be something like consciousness, there must be a material basis on which consciousness can emerge. Consciousness or even more general mental processes is thus assigned a passive raw, which only "accompany" certain brain activities. However, the consciousness is thus denied any causal effect. But on what findings are these ideas based? The reason given is merely that there is no evidence that there could be something like consciousness as an independent property. If one takes into account the fact that it is not even possible to date, or a viable definition, or at least concrete ideas, regarding the conditions necessary for mental processes, then one can not really consider this point of view convincing.

Eine gänzlich andere Vorstellung liegt der philosophischen Position des interaktionistischen Dualismus zugrunde. Diese nimmt an, dass es in der Natur Eigenschaften oder Erscheinungsformen (Entitäten) gibt, die über physikalische Wechselwirkungen prinzipiell nicht zugänglich sind (immaterielle Entitäten) und solche die über physikalische Wechselwirkungen zugänglich sind (materielle Entitäten), wobei zwischen immateriellen Entitäten und materiellen Entitäten eine kausale Interaktion möglich ist. Die Position des interaktionistischen Dualismus wirft dann natürlich die Frage auf, wie Bewusstsein auf das Gehirn und das Gehirn auf das Bewusstsein einwirken kann, wenn es zwischen dem Bewusstsein und dem Gehirn keine physikalischen Wechselwirkungen geben kann? Hierzu haben der Neurobiologe Sir John Eccles und der Quantenphysiker Friedrich Beck eine interessante Hypothese vorgeschlagen ([39], Kapitel 9, Seite 216):
„... dass die mentale Absicht des Selbst neuronal wirksam wird, indem sie vorübergehend die Wahrscheinlichkeiten für Exozytosen in einem ganzen Dentron erhöht und auf diese Weise die grolle Zahl von Wahrscheinlichkeitsamplituden koppelt, um eine kohärente Wirkung zu erzielen (6.10 und 9.2).”
An entirely different idea underlies the philosophical position of interactionist dualism. This assumes that in nature there are properties or manifestations (entities) that are in principle inaccessible through physical interactions (intangible entities) and those that are accessible through physical interactions (material entities), where between intangible entities and material entities causal interaction is possible. The position of interactional dualism, of course, raises the question of how consciousness can affect the brain and the brain when there is no physical interaction between consciousness and the brain. The neurobiologist Sir John Eccles and the quantum physicist Friedrich Beck have proposed an interesting hypothesis ([39], chapter 9, page 216):
"... that the mental intent of the self becomes neuronally effective by temporarily increasing the probabilities for exocytosis in a whole dentron and thus coupling the large number of probability amplitudes to achieve a coherent effect ( 6.10 and 9.2 ). "

Hierzu ist dann natürlich eine quantenphysikalische Beschreibung der Exozytose erforderlich. Unter Exozytose versteht man die Öffnung eines Kanals im präsynaptischen Vesikelgitter (PVG) und die Entladung der Vesikel-Transmittermoleküle in den synaptischen Spalt. Die Öffnung eines Kanals im PVG wird durch einen Nervenimpuls, der sich in ein Bouton (Axonterminal) fortsetzt, verursacht. Obwohl bei der Weiterleitung eines Nervenimpulses in einem Axon eine große Menge an Ca2+ Ionen in das Axon einströmt, geht man davon aus, dass durch die Anlagerung von vier Ca1+ Ionen an ein synaptisches Vesikel augenblicklich ein Kanal durch die anliegende präsynaptische Membran geöffnet wird, so dass sein gesamter Transmitter-Inhalt in den synaptischen Spalt freigesetzt wird. Eccles und Beck postulieren nun, dass dieser Trigger-Mechanismus über Quantenübergänge zwischen metastabilen molekularen Zuständen vermittelt über Quasi-Teilchen zustande kommt ([39], Kapitel 9, Seite 226):
„... Vorbereitung zur Exozytose bedeutet, dass das parakristalline PVG in einen metastabilen Zustand versetzt wird, in dem sich die Exozytose vollziehen kann. Den Auslösemechanismus stellen wir uns sodann als eine Bewegung eines Quasi-Teilchens mit einem Freiheitsgrad entlang einer kollektiven Koordinate und über eine Aktivierungs-Barriere hinweg vor ( ). Diese Bewegung erfolgt aufgrund eines quantenmechanischen Tunnelprozesses durch die Barriere (ähnlich wie beim radioaktiven Zerfall)”.
Of course, a quantum-physical description of the exocytosis is required. Exocytosis is the opening of a channel in the presynaptic vesicle lattice (PVG) and the discharge of the vesicle transmitter molecules into the synaptic cleft. The opening of a channel in the PVG is caused by a nerve impulse that continues into a bouton (axon terminal). Although a large amount of Ca 2+ ions flow into the axon during the transmission of a nerve impulse in an axon, it is assumed that by attaching four Ca 1+ ions to a synaptic vesicle, a channel immediately opens through the adjacent presynaptic membrane so that all of its transmitter content is released into the synaptic cleft. Eccles and Beck now postulate that this triggering mechanism results from quantum transitions between metastable molecular states mediated by quasi-particles ([39], Chapter 9, page 226):
"... preparation for exocytosis means that the paracrystalline PVG is placed in a metastable state in which exocytosis can occur. The triggering mechanism is then presented as a movement of a quasiparticle with one degree of freedom along a collective coordinate and across an activation barrier ( ). This movement is due to a quantum mechanical tunneling process through the barrier (similar to radioactive decay) ".

Auf die Wahrscheinlichkeit mit der das Quasi-Teilchen durch die Aktivierungs-Barriere tunneln kann, kann, so wird angenommen, nun das Bewusstsein (das Selbst) einwirken. Das Bewusstsein würde somit genau an den Stellen im Gehirn auf die Weiterleitung von Signalen einwirken, wo die elektrischen Signale kurzzeitig mittels der Vesikel-Transmittermoleküle in chemische Signale umgesetzt werden.The probability that the quasi-particle can tunnel through the activation barrier can, it is believed, now be felt by the consciousness (the self). Consciousness would thus act on the transmission of signals at the exact locations in the brain where the electrical signals are briefly converted into chemical signals by means of the vesicle transmitter molecules.

Streng genommen sagen Eccles und Beck aber nichts dazu, wie die Wirkung des Bewusstsein auf die betrachteten Quantensysteme zustande kommt. Auch bleibt unklar, ob die Wirkung des Bewusstseins auf die betrachteten Quantensysteme innerhalb des Formalismus der Quantenphysik beschrieben werden kann und wenn ja, wie der Formalismus der Quantenphysik hierzu interpretiert werden muss. Gerade dieser Punkt ist aber entscheidend für die Akzeptanz dieser Hypothese. Da die betrachteten Prozesse alles andere als einfach zu berechnende Situationen sind, dürfte es äußerst schwierig sein, diese Hypothese zu überprüfen. Die Tatsache, dass dieses Hypothese aber zumindest prinzipiell überprüfbar ist, zeichnet die vom interaktionalistischen Dualismus vertretene Position gegenüber der Position des Materialismus aus. Denn für die Position des Materialismus gibt es nicht einmal ansatzweise überprüfbare Hypothesen.Strictly speaking, however, Eccles and Beck say nothing about how the effect of consciousness on the considered quantum systems comes about. It also remains unclear whether the effect of consciousness on the quantum systems under consideration can be described within the formalism of quantum physics and, if so, how the formalism of quantum physics must be interpreted. But this point is decisive for the acceptance of this hypothesis. Since the considered processes are anything but easy-to-calculate situations, it would be extremely difficult to verify this hypothesis. The fact that this hypothesis is at least principally verifiable characterizes the position taken by the interactionalist dualism with regard to the position of materialism. Because for the position of materialism, there are not even rudimentary verifiable hypotheses.

Wenn man annimmt, dass es mit dem heutigen Stand der Technik nicht möglich ist, die von Eccles und Reck vorgeschlagene Hypothese zu überprüfen, weiche Möglichkeiten könnte es dann noch geben, um entscheiden zu können, welche philosophische Position zutreffend ist? Die Position des Materialismus oder die des interaktionalistischen Dualismus? Natürlich gibt es noch eine Vielzahl anderer philosophischer Positionen [39]. Auf diese möchte ich hier aber nicht näher eingehen, da sich die grundsätzlichen Fragen anhand dieser beiden Positionen klar aufzeigen lassen.If one assumes that it is not possible with the current state of the art to examine the hypothesis proposed by Eccles and Reck, then what possibilities could there be to decide which philosophical position is correct? The position of materialism or that of interactionalist dualism? Of course there are many other philosophical positions [39]. But I would not like to go into that here, because the fundamental questions can be clearly shown by means of these two positions.

Der wesentliche Grund für die Ablehnung der Position des interaktionalistischen Dualismus, insbesondere von Wissenschaftlern die die Position des Materialismus vertreten, scheint mir der folgende Punkt zu sein:
Wenn die Position des interaktionalistischen Dualismus korrekt ist, kann die physikalische (materielle) Welt nicht kausal abgeschlossen sein. Es muss dann physikalische Ereignisse geben, die zwar kausal zusammenhängen, der kausale Zusammenhang kann aber nicht über physikalische Wechselwirkungen beschrieben werden.
The essential reason for the rejection of the position of interactionalist dualism, especially of scientists who represent the position of materialism, seems to me to be the following point:
If the position of interactionalist dualism is correct, the physical (material) world can not be causally closed. There must then be physical events that are causally related, but the causal relationship can not be described through physical interactions.

Ein starkes Indiz dafür, dass die Position des interaktionalistischen Dualismus zutreffend ist, wäre daher ein Experiment, dass nur dahingehend interpretiert werden kann, dass die physikalische (materielle) Welt nicht kausal abgeschlossen sein kann.A strong indication that the position of the interactionalist dualism is correct would therefore be an experiment that can only be interpreted as meaning that the physical (material) world can not be causally closed.

Das in Abschnitt VI vorgeschlagene Gedankenexperiment bietet diese Möglichkeit. Sollten in dem dort beschriebenen Gedankenexperiment die für Alice und Bob zugänglichen Messwerte davon abhängen, ob die Quellen Q2/1 und Q3/4 synchron oder asynchron betrieben werden, so wäre dieses ein eindeutiges Indiz dafür, dass die physikalische Welt nicht kausal abgeschlossen sein kann. Das wesentliche Argument gegen die Position des interaktionalistischen Dualismus wäre dann widerlegt.The thought experiment proposed in Section VI offers this possibility. If, in the thought experiment described there, the readings available to Alice and Bob depend on whether sources Q 2/1 and Q 3/4 are operated synchronously or asynchronously, this would be a clear indication that the physical world is not causally closed can. The main argument against the position of interactionalist dualism would then be refuted.

Zum Abschluss möchte ich noch auf mögliche Zusammenhänge hinweisen, die zwischen den oben ausgeführten Überlegungen und bestimmten menschlichen Fähigkeiten, die in der buddhistischen Literatur immer wieder beschrieben werden, bestehen könnten. Dabei ist allerdings zu beachten, dass es innerhalb des Buddhismus, aufgrund der verschiedenen Traditionen der jeweiligen Regionen in denen die buddhistische Praxis sich ausbreitete, viele unterschiedliche Richtungen gibt. Auf diese Unterschiede möchte ich hier jedoch nicht eingehen. Eine der immer wieder beschriebenen menschlichen Fähigkeiten betrifft die des bewussten (luziden) Träumens (siehe beispielsweise [42]). Die Zeit in der der Körper schläft, wird als Möglichkeit betrachtet, das Bewusstsein zu schulen. Hieraus ergibt sich dann auch die besondere Bedeutung, die man der Praxis des Träumens zuordnet. Ist das Bewusstsein hinreichend geschult, so ist es möglich, dass zwei Menschen im Traum Informationen austauschen können, auch wenn diese sich an weit entfernten Orten aufhalten. Diese Fähigkeit wird dem Bewusstsein zugeordnet, welches als eine immaterielle Entität aufgefasst wird. Physikalische Wechselwirkungen sind daher für diese Informationsübertragung im Traum nicht erforderlich.Finally, I would like to point out possible connections that could exist between the considerations outlined above and certain human abilities that are repeatedly described in Buddhist literature. It should be noted, however, that there are many different directions within Buddhism due to the different traditions of the particular regions in which Buddhist practice spread. However, I would like to comment on these differences here do not go down. One of the frequently described human abilities is that of conscious (lucid) dreaming (see, for example, [42]). The time the body sleeps is considered a way to train consciousness. From this results also the special meaning, which one assigns to the practice of the dreaming. If the consciousness is sufficiently trained, it is possible that two people in the dream can exchange information, even if they are in far away places. This ability is assigned to consciousness, which is conceived as an immaterial entity. Physical interactions are therefore not required for this information transfer in the dream.

Vom Standpunkt des Materialismus aus betrachtet, ist diese Behauptung schlicht unmöglich, da das Bewusstsein als Folge von physikalischen Wechselwirkungen aufgefasst wird. Somit müssten die beiden Personen über physikalische Wechselwirkungen miteinander in Wechselwirkung treten. Was aber wohl mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann, wenn die Entfernungen nur groß genug sind, oder sichergestellt ist, dass keine physikalischen Wechselwirkungen auftreten können. Vom Standpunkt des interaktionistischen Dualismus aus betrachtet, könnte eine Informationsübertragung im Traum allerdings durchaus möglich sein. Hierzu müsste man allerdings annehmen, dass im Gehirn Strukturen existieren, die eine Informationsübertragung analog zu dem in Abschnitt VI vorgeschlagenen Experiment ermöglichen. Ob diese Strukturen mit dem von Eccles und Beck in Ihrer Hypothese zugrundegelegten parakristallinen PVG (oder einzelnen Kanälen im PVG) übereinstimmen und ob hierbei, anders als von Eccles und Beck angenommen kohärent gekoppelte Vakuumfluktuationen anstelle der postulierten Quasi-Teilchen beteiligt sind, muss hier eine offene Frage bleiben.From the standpoint of materialism, this assertion is simply impossible, since consciousness is conceived as a consequence of physical interactions. Thus, the two persons would have to interact via physical interactions. But what can be excluded with certainty, if the distances are only large enough, or it is ensured that no physical interactions can occur. From the standpoint of interactionist dualism, however, information transmission in the dream could certainly be possible. For this, one would have to assume, however, that there are structures in the brain that enable an information transfer analogous to the experiment proposed in Section VI. Whether these structures agree with the paracrystalline PVG (or single channels in the PVG) underlying Eccles and Beck's hypothesis, and whether, in contrast to coherently coupled vacuum fluctuations, as assumed by Eccles and Beck, must be used instead of the postulated quasiparticles Remain a question.

Nimmt man an, dass die in der buddhistischen Literatur (siehe beispielsweise [42], [43], [44]) über die Eigenschaften des Bewusstseins gemachten Aussagen zutreffen, so ist es naheliegend anzunehmen, dass alle dem Bewusstsein zugeschriebenen Eigenschaften, wie etwa die Fähigkeit zur Wahrnehmung oder die Fähigkeit des Willens, im Sinne von Interpretation (IN5) und (IN6) ihre Wirkung dadurch auf das, durch das Gehirn gebildete Quantensystem ausüben, dass durch diese, die für dieses Quantensystem und die für dieses Quantensystem formal äquivalenten Quantensysteme, realisierbaren energetischen Repräsentationen festgelegt werden. Es ist dann auch naheliegend anzunehmen, dass alle im Gehirn vorliegenden Informationen, die wir über unsere Sinnesorgane im Laufe unseres Lebens aufgenommen haben, das, durch das Gehirn gebildete Quantensystem in der Weise formt, dass hierdurch der für dieses Quantensystem mögliche Grad der energetischen Isolierung von anderen Quantensystemen im Sinne von Interpretation (IN5) und (IN6) festgelegt wird und damit auch in einem gewissen Maß durch eine geeignete Praxis formbar ist. Die, aufgrund der Daten unserer Sinnesorgane erstellte Beschreibung der physikalischen Welt, aber auch die für uns wahrnehmbaren Gedanken, würden dann auf physikalischen Prozessen im Gehirn basieren, die das Bewusstsein dann wahrnehmen kann. Somit würden die physikalischen Prozesse im Gehirn, auf das Bewusstsein (beschrieben durch den quantenphysikalischen Zustand dieses Quantensystems) einwirken und das Bewusstsein wiederum auf die physikalischen Prozesse im Gehirn einwirken, ohne dass hierbei physikalische Wechselwirkungen beteiligt sind.Assuming that the statements made in the Buddhist literature (see, for example, [42], [43], [44]) about the properties of consciousness are correct, it is natural to assume that all properties attributed to consciousness, such as the Ability to perceive, or the ability of the will, in the sense of interpretation (IN5) and (IN6), to exert their effect on the quantum system formed by the brain, by the quantum systems formally equivalent to this quantum system and the quantum system, realizable energetic representations. It is obvious, then, that all the information in the brain that we have acquired through our sensory organs throughout our lives forms the quantum system formed by the brain in such a way that the degree of energetic isolation of energy that is possible for that quantum system is other quantum systems in the sense of interpretation (IN5) and (IN6), and thus can be shaped to a certain extent by appropriate practice. The description of the physical world, based on the data of our sense organs, but also the perceptible thoughts, would then be based on physical processes in the brain, which then can perceive the consciousness. Thus, the physical processes in the brain, the consciousness (as described by the quantum physical state of this quantum system) would act and the consciousness in turn affect the physical processes in the brain, without this physical interactions are involved.

Wenn es gelingt, diese Annahmen zu verifizieren, so wäre damit der Nachweis erbracht, dass sich die Wirkung, der dem Bewusstsein zugeschriebenen Eigenschaften, auf die physikalische Welt, aber auch die Wirkung der physikalischen Welt auf das Bewusstsein, mittels des hier vorgeschlagenen Interpretationsansatzes, innerhalb des Formalismus der Quantenphysik beschreiben lässt. Auf die hiermit verbundenen Fragen möchte ich an anderer Stelle noch ausführlich eingehen.If one succeeds in verifying these assumptions, it would prove that the effect of the properties attributed to consciousness on the physical world, but also the effect of the physical world on the consciousness, by means of the interpretation approach proposed here, within of the formalism of quantum physics. I would like to discuss the related issues in more detail elsewhere.

Literatur:Literature:

  • [1]: Jürgen Audretsch; Verschränkte Systeme. Die Quantenphysik auf neuen Wegen; WILEY-VCH, ISBN 3-527-40452-X .[1]: Jürgen Audretsch; Entangled systems. Quantum physics in new ways; WILEY-VCH, ISBN 3-527-40452-X ,
  • [2]: David Bohr; A suggested interpretation of the quantum theory in therms of „hidden” variables; Rev. Mod. Phys. 38, 447–445 (1966) .[2]: David Bohr; A suggested interpretation of the quantum theory in therms of "hidden"variables; Rev. Mod. Phys. 38, 447-445 (1966) ,
  • [3]: Friedrich Steinle; Explorieren, Entdecken, Testen; Spektrum der Wissenschaft, September 2008, 34 .[3]: Friedrich Steinle; Exploring, discovering, testing; Spectrum of Science, September 2008, 34 ,
  • [4]: A. Einstein; Zur Elektrodynamik bewegter Körper; Ann. D. Phys., 17, 891–921 (1905) .[4]: A. Einstein; Electrodynamics of moving bodies; Ann. D. Phys., 17, 891-921 (1905) ,
  • [5]: A. A. Michelson, E. W. Morley, Am. J. of Science, 34, 333–345 (1887). Siehe hierzu auch: A. A. Michelson, Am. J. of Science, 22, 120–129 (1881) .[5]: AA Michelson, EW Morley, Am. J. of Science, 34, 333-345 (1887). See also: AA Michelson, Am. J. of Science, 22, 120-129 (1881) ,
  • [6]: R. P. Feynman, R. B. Leighton and M. L. Sands in „The Feynman Lectures an Physics” (Addison-Wesley Publishing Co., Inc. Reading, 1989) .[6]: RP Feynman, RB Leighton and ML Sands in "The Feynman Lectures on Physics" (Addison-Wesley Publishing Co., Inc. Reading, 1989) ,
  • [7]: D. M. Greenberger, M. A. Horne and A. Zeilinger, Phys. Today, 22, (August 1993) .[7]: DM Greenberger, MA Horne and A. Zeilinger, Phys. Today, 22, (August 1993) ,
  • [8]: A. Zeilinger, Am. J. Phys. 49, 882, (1981) .[8th]: A. Zeilinger, Am. J. Phys. 49, 882, (1981) ,
  • [9]: A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen; Phys. Rev. 47, 777 (1935) .[9]: A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen; Phys. Rev. 47, 777 (1935) ,
  • [10]: A. Zeilinger et al; Experimental quantum teleportation; Nature, Vol. 390, 575–579 (1997) .[10]: A. Zeilinger et al; Experimental quantum teleportation; Nature, Vol. 390, 575-579 (1997) ,
  • [11]: A. Zeilinger et al; Experimental Entanglement Swapping: Entangling Photons that never interacted; Phys. Rev. Lett., Vol. 80, 3891–3894 (1998) . [11]: A. Zeilinger et al; Experimental entanglement swapping: entangling photons that never interacted; Phys. Rev. Lett., Vol. 80, 3891-3894 (1998) ,
  • [12]: Helmut Fink; Interpretation verschränkter Zustände; Physik Unserer Zeit, 4/2004 (35), 168 .[12]: Helmut Fink; Interpretation of entangled states; Physics of Our Time, 4/2004 (35), 168 ,
  • [13]: Paul Kwiat, Harald Weinfurtner und Anton Zeilinger; Wechselwirkungsfreie Quantenmessung; Spektrum der Wissenschaft, Januar 1997, Seite 42–49 . Siehe hierzu auch: Interaction-Free Measurement; P. G. Kwiat, H. Weinfurtner, T. Herzog, A. Zeilinger and M. A. Kasevich; Phys. Rev. Lett. 74, 24, 4763–4766 (1995) .[13]: Paul Kwiat, Harald Weinfurtner and Anton Zeilinger; Interaction-free quantum measurement; Spectrum of Science, January 1997, pages 42-49 , See also: Interaction-Free Measurement; PG Kwiat, H. Weinfurtner, T. Herzog, A. Zeilinger and MA Kasevich; Phys. Rev. Lett. 74, 24, 4763-4766 (1995) ,
  • [14]: Markus Arndt, Lucia Hackermüller, Klaus Hornberger; Interferenzexperimente mit molekularen Quantenwellen; Physik Unserer Zeit, 1/2006 (37), 24–29 .[14]: Markus Arndt, Lucia Hackermüller, Klaus Hornberger; Interference experiments with molecular quantum waves; Physics of Our Time, 1/2006 (37), 24-29 ,
  • [15]: Anton Zeilinger; Quantenexperimente zwischen Photon und Fulleren; Physik in unserer Zeit, 5/2000 (31), 199–202 .[15]: Anton Zeilinger; Quantum experiments between photon and fullerene; Physics in our time, 5/2000 (31), 199-202 ,
  • [16]: Axel Schenzle; Illusion oder Wirklichkeit. Der Messprozeß in der Quantenoptik; Physik in unserer Zeit, 1/1994 (25), 8 .[16]: Axel Schenzle; Illusion or reality. The measurement process in quantum optics; Physics in our time, 1/1994 (25), 8 ,
  • [17]: Wolfgang Hansel; Quantenbits in der Ionenfalle; Der Qauntenmechanik in die Karten geschaut; Physik in unserer Zeit, 2/2006 (37), 64 .[17]: Wolfgang Hansel; Quantum bits in the ion trap; The Qauntenmechanik looked at the cards; Physics in our time, 2/2006 (37), 64 ,
  • [18]: W. Nagourney, J. Sandberg, H. Dehmelt, Phys. Rev. Lett. 56, 2797 (1986) .[18]: W. Nagourney, J. Sandberg, H. Dehmelt, Phys. Rev. Lett. 56, 2797 (1986) ,
  • [19]: R. P. Feynman, F. L. Vernon and R. W. Helwarth; Geometrical representation of the Schrödinger equation for solving maser problems, J. Appl. Phys. 28, 49–52 (1957) .[19]: RP Feynman, FL Vernon and RW Helwarth; Geometrical representation of the Schrodinger equation for solving maser problems, J. Appl. Phys. 28, 49-52 (1957) ,
  • [20]: Dissertation; Mark Riebe; Preparation of Entangled States and Quantum Teleportation with Atomic Qubits; Institut für Experimentalphysik, Leopold-Franzens-Universität Insbruck (2005) . [20]: Dissertation; Mark Riebe; Preparation of Entangled States and Quantum Teleportation with Atomic Qubits; Institute of Experimental Physics, Leopold-Franzens-University Insbruck (2005) ,
  • [21]: Wolfgang Hänsel; Quantenbits in der Ionenfalle Teil 2; Quantencomputer und Teleportation; Physik in unserer Zeit, 6/2006 (37), 272 .[21]: Wolfgang Hansel; Quantum bits in the ion trap part 2; Quantum computer and teleportation; Physics in our time, 6/2006 (37), 272 ,
  • [22]: Haken, Wolf; Molekülphysik und Quantenchemie; 3. Auflage, Kapitel 18, Springer Verlag, ISBN 3-540-63786-9 (1998) .[22]: Hook, wolf; Molecular physics and quantum chemistry; 3rd edition, Chapter 18, Springer Verlag, ISBN 3-540-63786-9 (1998) ,
  • [23]: D. Bohr; Quantum Theory, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1951), pp. 593–598 .[23]: D. Bohr; Quantum Theory, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ (1951), pp. 593-598 ,
  • [24]: Otto Stern; Ein Weg zur experimentellen Prüfung der Richtungsquantelung im Magnetfeld; Z. f. Phys. 7 (1921), Seite 249–253 . W. Gerlach, O. Stern; Der experimentelle Nachweis des magnetischen Moments des Silberatoms; Z. f. Phys. 8 (1921), Seite 110-111 . Walter Gerlach, Otto Stern; Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld; Z. f. Phys. 9 (1922), Seite 349–355 .[24]: Otto Stern; A way to experimentally check the directional quantization in the magnetic field; Z. f. Phys. 7 (1921), pages 249-253 , W. Gerlach, O. Stern; The experimental proof of the magnetic moment of the silver atom; Z. f. Phys. 8 (1921), pages 110-111 , Walter Gerlach, Otto Stern; The experimental proof of the directional quantization in the magnetic field; Z. f. Phys. 9 (1922), pages 349-355 ,
  • [25]: Bergmann, Schaefer; Elektromagnetismus, Band 2, 8. Auflage (1999), Walter de Gruyter Berlin, ISBN 3-11-016097-8, Seite 472–475 .[25]: Bergmann, Schaefer; Electromagnetism, Volume 2, 8th edition (1999), Walter de Gruyter Berlin, ISBN 3-11-016097-8, page 472-475 ,
  • [26]: G. Badurek, H. Rauch, A. Zeilinger; Dynamik Concepts in Neutron Polarization; Z. Physik B, Condensed Matter 38 (1980), pp. 303–311 .[26]: G. Badurek, H. Rauch, A. Zeilinger; Dynamics Concepts in Neutron Polarization; Z. Physics B, Condensed Matter 38 (1980), pp. 303-311 ,
  • [27]: Gerald Badurek, Harald Weinfurter, Roland Gähler, Achim Kollmar, Stefan Wehinger and Anton Zeilinger; Nondispersive Phase of AharonovBohm Effekt; Phys. Rev. Lett. 71, 307–310, (1993) .[27]: Gerald Badurek, Harald Weinfurter, Roland Gähler, Achim Kollmar, Stefan Wehinger and Anton Zeilinger; Nondispersive phase of AharonovBohm effect; Phys. Rev. Lett. 71, 307-310, (1993) ,
  • [28]: Henning Genz; Das Paradoxon von Einstein, Podolsky und Rosen; Physik in unserer Zeit, 6/1997 (28), 251. [28]: Henning Genz; The paradox of Einstein, Podolsky and Rosen; Physics in our time, 6/1997 (28), 251.
  • [29]: D. Bohr; Quantum Theory, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1951), pp. 614–619 .[29]: D. Bohr; Quantum Theory, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ (1951), pp. 614-619 ,
  • [30]: Berthold-Georg Englert, Herbert Walther; Komplementarität in der Quantenmechanik; Physik in unserer Zeit, 5/1992 (23), 213 .[30]: Berthold-Georg Englert, Herbert Walther; Complementarity in quantum mechanics; Physics in our time, 5/1992 (23), 213 ,
  • [31]: Daniel M. Greenberger, Michael A. Horne, Abner Shimony, Anton Zeilinger; Bell's theorem without inequalities; Am. J. Phys. 58 (12) Dezember (1990), pp. 1131–1143 .[31]: Daniel M. Greenberger, Michael A. Horne, Abner Shimony, Anton Zeilinger; Bell's theorem without inequalities; At the. J. Phys. 58 (12) December (1990), pp. 1131-1143 ,
  • [32]: F. Bloch; Nuclear Induction, Phys. Rev. 70, 460–474 (1946) und F. Bloch; The Nuclear Induction Experiment, Phys. Rev. 70, 474–485 (1946) .[32]: F. Bloch; Nuclear Induction, Phys. Rev. 70, 460-474 (1946) and F. Bloch; The Nuclear Induction Experiment, Phys. Rev. 70, 474-485 (1946) ,
  • [33]: Christoph Bruder; Die Kräfte aus dem Nichts; Physik in unserer Zeit, 4/1997 (28), 149 .[33]: Christoph brother; The forces out of nothing; Physics in our time, 4/1997 (28), 149 ,
  • [34]: Astrid Lambrecht; Der Casimir-Effekt. Das Vakuum kommt zu Kräften; Physik Unserer Zeit, 2/2005 (36), 85 .[34]: Astrid Lambrecht; The Casimir effect. The vacuum comes to power; Physics of Our Time, 2/2005 (36), 85 ,
  • [35]: Roland Wengenmayr; Neues Experiment zum Casimir-Effekt. Die Kraft aus dem Vakuum; Physik in unserer Zeit, 3/1997 (28), 135 .[35]: Roland Wengenmayr; New experiment on the Casimir effect. The power from the vacuum; Physics in our time, 3/1997 (28), 135 ,
  • [36]: Herbert J. Bernstein and Anton Zeilinger; Exact Spin Rotation by Precession during Neutron Interferometry; Physics Letters, Vol. 75A, 3, 169–172 .[36]: Herbert J. Bernstein and Anton Zeilinger; Exact spin rotation by precession during neutron interferometry; Physics Letters, Vol. 75A, 3, 169-172 ,
  • [37]: Lucas Lamata, Juan Leon, David Salgado; Spin entanglement loss by local correlation transfer to the momentum; Phy. Rev. A 73 052325 (2006) . [37]: Lucas Lamata, Juan Leon, David Salgado; Spin entanglement loss by local correlation transfer to the momentum; Phy. Rev. A 73 052325 (2006) ,
  • [38]: H. Batelaan, T. J. Gay, and J. J. Schwendiman; Stern-Gerlach Effect for Elektron Beams; Physical Review Letters, Vol. 79, 23, 4517–4521 (1997) .[38]: H. Batelaan, TJ Gay, and JJ Schwendiman; Stern-Gerlach Effect for electron beams; Physical Review Letters, Vol. 79, 23, 4517-4521 (1997) ,
  • [39]: John c. Eccles; Wie das Selbst sein Gehirn steuert; Springer Verlag 1996, ISBN 3-492-22286-2 .[39]: John c. Eccles; How the self controls its brain; Springer Verlag 1996, ISBN 3-492-22286-2 ,
  • [40]: Francis Crick und Christof Koch; Das Problem des Bewusstseins; Spektrum der Wissenschaft, November 1992, Seite 144–152 .[40]: Francis Crick and Christof Koch; The problem of consciousness; Spectrum of Science, November 1992, pages 144-152 ,
  • [41]: Christof Koch und Susan Greenfield; Wie geschieht Bewusstsein; Spektrum der Wissenschaft, Januar 2008, Seite 42–49 .[41]: Christof Koch and Susan Greenfield; How does consciousness happen? Spectrum of Science, January 2008, pages 42-49 ,
  • [42]: Tenzin Wangyal Rinpoche; Übung der Nacht. Tibetische Meditationen in Schlaf und Traum; Heinrich Hugendubel Verlag, 1998, ISBN 3-7205-2189-3 . [42]: Tenzin Wangyal Rinpoche; Exercise of the night. Tibetan meditations in sleep and dream; Heinrich Hugendubel Verlag, 1998, ISBN 3-7205-2189-3 ,
  • [43]: Fumon S. Nakagawa; Zen. Weil wir Menschen sind; Theseus Verlag, 1997, ISBN 3-89620-116-6 .[43]: Fumon S. Nakagawa; Zen. Because we are humans; Theseus Verlag, 1997, ISBN 3-89620-116-6 ,
  • [44]: Dalai Lama; Die Essenz der Meditation. Praktische Erklärungen zum Herzstück buddhistischer Spiritualität; Ansata Verlag, 2001, ISBN 3-7787-7177-9 .[44]: Dalai Lama; The essence of meditation. Practical explanations to the heart of Buddhist spirituality; Ansata Verlag, 2001, ISBN 3-7787-7177-9 ,
  • [45]: W. Pauli, The Connection between Spin and Statistics; Phys. Rev. Vol. 58, 716–732 (1940) . Eine alternative Ableitung des Zusammenhangs zwischen Spin und Statistik findet man in: Arthur Jabs; Connecting Spin and statistics in quantum mechanics; Foundations of Physiks 40(7), 776–792, 793–794 (2010) .[45]: W. Pauli, The Connection between Spin and Statistics; Phys. Rev. Vol. 58, 716-732 (1940) , An alternative derivation of the relationship between spin and statistics can be found in: Arthur Jabs; Connecting spin and statistics in quantum mechanics; Foundations of Physiks 40 (7), 776-792, 793-794 (2010) ,
  • [46]: Maudlin, T.; Quantum non-locality and relativity: methaphysical intimations of modern physics; 3nd ed. Wiley, Chichester, 2011 .[46]: Maudlin, T .; Quantum non-locality and relativity: methaphysical intimations of modern physics; Ed. Wiley, Chichester, 2011 ,
  • [47]: Roman U. Sexl and Helmuth K. Urbantke; Relativity, Groups, Particles: Special Relativity and Relativistic Symmetry in Field and Particle Physics. Springer, Wien New York, 2001 .[47]: Roman U. Sexl and Helmuth K. Urbantke; Relativity, Groups, Particles: Special Relativity and Relativistic Symmetry in Field and Particle Physics. Springer, Vienna New York, 2001 ,
  • [48]: Wheeler, J. and Feynman, R.; Classical electrodynamics in terms of direct interparticle action. Review of Modern Physics, 21, 3 (1949), 425–433 .[48]: Wheeler, J. and Feynman, R .; Classical electrodynamics in terms of direct interparticle action. Review of Modern Physics, 21, 3 (1949), 425-433 ,
  • [49]: Deutsche Patentanmeldung DE 10 2010 047 168.2 ; 30.09.2010.[49]: German patent application DE 10 2010 047 168.2 ; 30.09.2010.
  • [50]: Florian Rempp, Philipp Neumann, Jörg Wrachtrup; Verschränkung von Spins in Diamant; Physik in unserer Zeit, 5/2008 (39), 214 .[50]: Florian Rempp, Philipp Neumann, Jörg Wrachtrup; Entanglement of spins in diamond; Physics in our time, 5/2008 (39), 214 ,
  • [51]: Stephan Schulz, Ferdinand Schmidt-Kaler; Segmentierte Mikrochip-Falle für kalte Ionen; Physik in unserer Zeit, 4/2007 (38), 162 .[51]: Stephan Schulz, Ferdinand Schmidt-Kaler; Segmented microchip trap for cold ions; Physics in our time, 4/2007 (38), 162 ,
  • [52]: Christian Beck; Wavefunctions and Minkowski Space-Time; Diplomarbeit, Fakultät für Physik, Ludwig-Maximilian-Universität-München; 2010 .[52]: Christian Beck; Wavefunctions and Minkowski Space-Time; Diploma thesis, Faculty of Physics, Ludwig Maximilian University Munich; 2010 ,
  • [53]: S. Olmschenk, D. N. Matsukevich, P. Maunz, D. Hayes, L. -M. Duan, C. Monroe; Quantum Teleportation Between Distand Matter Qubits; Science, Vol. 323, 486–489, 23 January 2009 .[53]: S. Olmschenk, DN Matsukevich, P. Maunz, D. Hayes, L. -M. Duan, C. Monroe; Quantum Teleportation Between Distand Matter Qubits; Science, Vol. 323, 486-489, 23 January 2009 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Sachverhalt 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen (EPR) [0035] Facts 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky and Nathan Rosen (EPR) [0035]

Claims (7)

Verfahren zur wechselwirkungsfreien Verschränkung von Quantensystemen in Quantencomputern, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschränkenden Quantensysteme in einem ersten Präparationsschritt in den Zustand Ψ20 mit beliebigen (reellen) Phasen φ und θ als elementares Quantensystem präpariert werden und dann in einem zweiten Präparationsschritt durch Einschalten eines homogenen Magnetfeldes Bz, das die Raumbereiche umfasst, in denen die zu verschränkenden Quantensysteme lokalisiert sind und unter Einhaltung der Randbedingung (R3) in den verschränkten Zustand Ψ überführt werden.Method for the interaction-free entanglement of quantum systems in quantum computers, characterized in that the quantum systems to be entangled are prepared in a first preparation step in the state Ψ 20 with arbitrary (real) phases φ and θ as elementary quantum system and then in a second preparation step by switching a homogeneous Magnetic field B z , which includes the space regions in which the quantum systems to be entangled are located and in compliance with the boundary condition (R3) in the entangled state Ψ - transferred. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Quantensysteme durch 13C-Atome in Diamant realisiert werden.A method according to claim 1, characterized in that the quantum systems used are realized by 13 C atoms in diamond. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Quantensysteme durch 40Ca+-Ionen im elektronischen Grundzustand (42S1/2) realisiert werden.A method according to claim 1, characterized in that the quantum systems used are realized by 40 Ca + ions in the electronic ground state (4 2 S 1/2 ). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantensysteme mittels NV-Zentren adressiert und/oder ausgelesen werden.Method according to Claim 2, characterized in that the quantum systems are addressed and / or read out by means of NV centers. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das homogene Magnetfeld Bz mittels niederinduktiver Spulen in der Form einer Helinholtz-Anordnung realisiert wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the homogeneous magnetic field B z is realized by means of low-inductance coils in the form of a Helinholtz arrangement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verschränkten Quantensysteme dazu verwendet werden, den Zustand eines Quantensystems auf ein anderes Quantensystem zu übertragen und hierzu vorzugsweise das Verfahren der Teleportation herangezogen wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the entangled quantum systems are used to transfer the state of a quantum system to another quantum system and this preferably the method of teleportation is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Quantensysteme so auf einer rotierenden, vorzugsweise runden, Scheide angeordnet sind, dass diese, analog zu den magnetischen Bezirken einer magnetischen Festplatte, zu einer definierten Zeit in Bereiche gebracht werden können, denen ein homogenes Magnetfeld Bz überlagert werden kann.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that the quantum systems used are arranged on a rotating, preferably round, sheath so that these, in analogy to the magnetic districts of a magnetic hard disk, can be brought into a defined time in areas, which a homogeneous magnetic field B z can be superimposed.
DE102012000044A 2011-06-07 2012-01-02 Method for interaction-free entanglement of quantum system in quantum computer, involves locating quantum system by activating magnetic field, and transferring quantum system to entangled condition under observation of boundary condition Withdrawn DE102012000044A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012000044A DE102012000044A1 (en) 2011-06-07 2012-01-02 Method for interaction-free entanglement of quantum system in quantum computer, involves locating quantum system by activating magnetic field, and transferring quantum system to entangled condition under observation of boundary condition

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011103434.3 2011-06-07
DE102011103434 2011-06-07
DE102011110893.2 2011-08-17
DE102011110893 2011-08-17
DE102012000044A DE102012000044A1 (en) 2011-06-07 2012-01-02 Method for interaction-free entanglement of quantum system in quantum computer, involves locating quantum system by activating magnetic field, and transferring quantum system to entangled condition under observation of boundary condition

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102012000044A1 true DE102012000044A1 (en) 2012-12-13

Family

ID=47220619

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102012000044A Withdrawn DE102012000044A1 (en) 2011-06-07 2012-01-02 Method for interaction-free entanglement of quantum system in quantum computer, involves locating quantum system by activating magnetic field, and transferring quantum system to entangled condition under observation of boundary condition

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102012000044A1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013010195A1 (en) 2013-06-06 2014-12-24 Gerhart Schroff Method for the interaction-free entanglement of independent qubit pairs in quantum computers
US20150332163A1 (en) * 2014-05-16 2015-11-19 Gerhart Schroff Method for interaction-free entanglement of quantum bits in quantum computers
DE102016015321A1 (en) 2016-12-22 2018-06-28 Gerhart Schroff Method for interaction-free information transmission by means of entangled photon pairs
DE102017005947A1 (en) 2017-01-26 2018-07-26 Gerhart Schroff Method for interaction-free information transmission by means of entangled photon pairs
DE102019008600A1 (en) 2018-12-20 2020-06-25 Gerhart Schroff Process for the interaction-free transfer of information using entangled pairs of photons

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010047168A1 (en) 2010-08-27 2012-03-01 Gerhart Schroff Method for enabling interaction-free information transfer from transmitter to receiver in mobile phone, involves not performing coherently coupled vacuum fluctuation between quantum systems prepared by transmitter and receiver

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010047168A1 (en) 2010-08-27 2012-03-01 Gerhart Schroff Method for enabling interaction-free information transfer from transmitter to receiver in mobile phone, involves not performing coherently coupled vacuum fluctuation between quantum systems prepared by transmitter and receiver

Non-Patent Citations (57)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. A. Michelson, E. W. Morley, Am. J. of Science, 34, 333-345 (1887). Siehe hierzu auch: A. A. Michelson, Am. J. of Science, 22, 120-129 (1881)
A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen; Phys. Rev. 47, 777 (1935)
A. Einstein; Zur Elektrodynamik bewegter Körper; Ann. D. Phys., 17, 891-921 (1905)
A. Zeilinger et al; Experimental Entanglement Swapping: Entangling Photons that never interacted; Phys. Rev. Lett., Vol. 80, 3891-3894 (1998)
A. Zeilinger et al; Experimental quantum teleportation; Nature, Vol. 390, 575-579 (1997)
A. Zeilinger, Am. J. Phys. 49, 882, (1981)
Anton Zeilinger; Quantenexperimente zwischen Photon und Fulleren; Physik in unserer Zeit, 5/2000 (31), 199-202
Arthur Jabs; Connecting Spin and statistics in quantum mechanics; Foundations of Physiks 40(7), 776-792, 793-794 (2010)
Astrid Lambrecht; Der Casimir-Effekt. Das Vakuum kommt zu Kräften; Physik Unserer Zeit, 2/2005 (36), 85
Axel Schenzle; Illusion oder Wirklichkeit. Der Messprozebeta in der Quantenoptik; Physik in unserer Zeit, 1/1994 (25), 8
Bergmann, Schaefer; Elektromagnetismus, Band 2, 8. Auflage (1999), Walter de Gruyter Berlin, ISBN 3-11-016097-8, Seite 472-475
Berthold-Georg Englert, Herbert Walther; Komplementarität in der Quantenmechanik; Physik in unserer Zeit, 5/1992 (23), 213
Christian Beck; Wavefunctions and Minkowski Space-Time; Diplomarbeit, Fakultät für Physik, Ludwig-Maximilian-Universität-München; 2010
Christof Koch und Susan Greenfield; Wie geschieht Bewusstsein; Spektrum der Wissenschaft, Januar 2008, Seite 42-49
Christoph Bruder; Die Kräfte aus dem Nichts; Physik in unserer Zeit, 4/1997 (28), 149
D. Bohr; Quantum Theory, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1951), pp. 593-598
D. Bohr; Quantum Theory, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1951), pp. 614-619
D. M. Greenberger, M. A. Horne and A. Zeilinger, Phys. Today, 22, (August 1993)
Dalai Lama; Die Essenz der Meditation. Praktische Erklärungen zum Herzstück buddhistischer Spiritualität; Ansata Verlag, 2001, ISBN 3-7787-7177-9
Daniel M. Greenberger, Michael A. Horne, Abner Shimony, Anton Zeilinger; Bell's theorem without inequalities; Am. J. Phys. 58 (12) Dezember (1990), pp. 1131-1143
David Bohr; A suggested interpretation of the quantum theory in therms of "hidden" variables; Rev. Mod. Phys. 38, 447-445 (1966)
Dissertation; Mark Riebe; Preparation of Entangled States and Quantum Teleportation with Atomic Qubits; Institut für Experimentalphysik, Leopold-Franzens-Universität Insbruck (2005)
F. Bloch; Nuclear Induction, Phys. Rev. 70, 460-474 (1946) und F. Bloch; The Nuclear Induction Experiment, Phys. Rev. 70, 474-485 (1946)
Florian Rempp, Philipp Neumann, Jörg Wrachtrup; Verschränkung von Spins in Diamant; Physik in unserer Zeit, 5/2008 (39), 214
Francis Crick und Christof Koch; Das Problem des Bewusstseins; Spektrum der Wissenschaft, November 1992, Seite 144-152
Friedrich Steinle; Explorieren, Entdecken, Testen; Spektrum der Wissenschaft, September 2008, 34
Fumon S. Nakagawa; Zen. Weil wir Menschen sind; Theseus Verlag, 1997, ISBN 3-89620-116-6
G. Badurek, H. Rauch, A. Zeilinger; Dynamik Concepts in Neutron Polarization; Z. Physik B, Condensed Matter 38 (1980), pp. 303-311
Gerald Badurek, Harald Weinfurter, Roland Gähler, Achim Kollmar, Stefan Wehinger and Anton Zeilinger; Nondispersive Phase of AharonovBohm Effekt; Phys. Rev. Lett. 71, 307-310, (1993)
H. Batelaan, T. J. Gay, and J. J. Schwendiman; Stern-Gerlach Effect for Elektron Beams; Physical Review Letters, Vol. 79, 23, 4517-4521 (1997)
Haken, Wolf; Molekülphysik und Quantenchemie; 3. Auflage, Kapitel 18, Springer Verlag, ISBN 3-540-63786-9 (1998)
Helmut Fink; Interpretation verschränkter Zustände; Physik Unserer Zeit, 4/2004 (35), 168
Henning Genz; Das Paradoxon von Einstein, Podolsky und Rosen; Physik in unserer Zeit, 6/1997 (28), 251.
Herbert J. Bernstein and Anton Zeilinger; Exact Spin Rotation by Precession during Neutron Interferometry; Physics Letters, Vol. 75A, 3, 169-172
Interaction-Free Measurement; P. G. Kwiat, H. Weinfurtner, T. Herzog, A. Zeilinger and M. A. Kasevich; Phys. Rev. Lett. 74, 24, 4763-4766 (1995)
John c. Eccles; Wie das Selbst sein Gehirn steuert; Springer Verlag 1996, ISBN 3-492-22286-2
Jürgen Audretsch; Verschränkte Systeme. Die Quantenphysik auf neuen Wegen; WILEY-VCH, ISBN 3-527-40452-X
Lucas Lamata, Juan Leon, David Salgado; Spin entanglement loss by local correlation transfer to the momentum; Phy. Rev. A 73 052325 (2006)
Markus Arndt, Lucia Hackermüller, Klaus Hornberger; Interferenzexperimente mit molekularen Quantenwellen; Physik Unserer Zeit, 1/2006 (37), 24-29
Maudlin, T.; Quantum non-locality and relativity: methaphysical intimations of modern physics; 3nd ed. Wiley, Chichester, 2011
Otto Stern; Ein Weg zur experimentellen Prüfung der Richtungsquantelung im Magnetfeld; Z. f. Phys. 7 (1921), Seite 249-253
Paul Kwiat, Harald Weinfurtner und Anton Zeilinger; Wechselwirkungsfreie Quantenmessung; Spektrum der Wissenschaft, Januar 1997, Seite 42-49
R. P. Feynman, F. L. Vernon and R. W. Helwarth; Geometrical representation of the Schrödinger equation for solving maser problems, J. Appl. Phys. 28, 49-52 (1957)
R. P. Feynman, R. B. Leighton and M. L. Sands in "The Feynman Lectures an Physics" (Addison-Wesley Publishing Co., Inc. Reading, 1989)
Roland Wengenmayr; Neues Experiment zum Casimir-Effekt. Die Kraft aus dem Vakuum; Physik in unserer Zeit, 3/1997 (28), 135
Roman U. Sexl and Helmuth K. Urbantke; Relativity, Groups, Particles: Special Relativity and Relativistic Symmetry in Field and Particle Physics. Springer, Wien New York, 2001
S. Olmschenk, D. N. Matsukevich, P. Maunz, D. Hayes, L. -M. Duan, C. Monroe; Quantum Teleportation Between Distand Matter Qubits; Science, Vol. 323, 486-489, 23 January 2009
Sachverhalt 1935 Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen (EPR)
Stephan Schulz, Ferdinand Schmidt-Kaler; Segmentierte Mikrochip-Falle für kalte Ionen; Physik in unserer Zeit, 4/2007 (38), 162
Tenzin Wangyal Rinpoche; Übung der Nacht. Tibetische Meditationen in Schlaf und Traum; Heinrich Hugendubel Verlag, 1998, ISBN 3-7205-2189-3
W. Gerlach, O. Stern; Der experimentelle Nachweis des magnetischen Moments des Silberatoms; Z. f. Phys. 8 (1921), Seite 110-111
W. Nagourney, J. Sandberg, H. Dehmelt, Phys. Rev. Lett. 56, 2797 (1986)
W. Pauli, The Connection between Spin and Statistics; Phys. Rev. Vol. 58, 716-732 (1940)
Walter Gerlach, Otto Stern; Der experimentelle Nachweis der Richtungsquantelung im Magnetfeld; Z. f. Phys. 9 (1922), Seite 349-355
Wheeler, J. and Feynman, R.; Classical electrodynamics in terms of direct interparticle action. Review of Modern Physics, 21, 3 (1949), 425-433
Wolfgang Hänsel; Quantenbits in der Ionenfalle Teil 2; Quantencomputer und Teleportation; Physik in unserer Zeit, 6/2006 (37), 272
Wolfgang Hansel; Quantenbits in der Ionenfalle; Der Qauntenmechanik in die Karten geschaut; Physik in unserer Zeit, 2/2006 (37), 64

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013010195A1 (en) 2013-06-06 2014-12-24 Gerhart Schroff Method for the interaction-free entanglement of independent qubit pairs in quantum computers
US20150332163A1 (en) * 2014-05-16 2015-11-19 Gerhart Schroff Method for interaction-free entanglement of quantum bits in quantum computers
DE102014007248A1 (en) 2014-05-16 2015-12-03 Gerhart Schroff Method for the interaction-free entanglement of quantum bits in quantum computers
US9443200B2 (en) * 2014-05-16 2016-09-13 Gerhart Schroff Method for interaction-free entanglement of quantum bits in quantum computers
DE102016015321A1 (en) 2016-12-22 2018-06-28 Gerhart Schroff Method for interaction-free information transmission by means of entangled photon pairs
DE102017005947A1 (en) 2017-01-26 2018-07-26 Gerhart Schroff Method for interaction-free information transmission by means of entangled photon pairs
DE102019008600A1 (en) 2018-12-20 2020-06-25 Gerhart Schroff Process for the interaction-free transfer of information using entangled pairs of photons

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102014007248A1 (en) Method for the interaction-free entanglement of quantum bits in quantum computers
Aquila et al. The linac coherent light source single particle imaging road map
DE102010047168A1 (en) Method for enabling interaction-free information transfer from transmitter to receiver in mobile phone, involves not performing coherently coupled vacuum fluctuation between quantum systems prepared by transmitter and receiver
DE102012000044A1 (en) Method for interaction-free entanglement of quantum system in quantum computer, involves locating quantum system by activating magnetic field, and transferring quantum system to entangled condition under observation of boundary condition
Hobson There are no particles, there are only fields
DE112012001847T5 (en) Arrangement of quantum systems in a resonator for quantum information processing
Saffman et al. Rydberg state mediated quantum gates and entanglement of pairs of neutral atoms
EP3447559B1 (en) High resolution 2d microscopy with improved cut thickness
DE102009033566B4 (en) Method for setting a state of a quantum bit
EP3465556A1 (en) Device for storing or manipulating quantum information on entangled particles
WO2016071033A1 (en) Method for generating an image of a sample
Pegoraro et al. Dynamic conditioning of two particle discrete-time quantum walks
Jessen et al. Quantum information processing with trapped neutral atoms
Redeker Entanglement of single rubidium atoms: From a Bell test towards applications
Sreedharan et al. Hyper-entangling mesoscopic bound states
Goyal Derivation of quantum theory from Feynman's rules
Whitaker Theory and experiment in the foundations of quantum theory
DE102017005947A1 (en) Method for interaction-free information transmission by means of entangled photon pairs
Lusanna et al. On the transition from the quantum to the classical regime for massive scalar particles: A spatiotemporal approach
Zhao et al. High-fidelity entanglement via molecular dissociation in integrated atom optics
DE102016015321A1 (en) Method for interaction-free information transmission by means of entangled photon pairs
DE102016015224A1 (en) Method for interaction-free information transmission by entangled photons
Weber Quantum optical experiments towards atom-photon entanglement
DE102019008600A1 (en) Process for the interaction-free transfer of information using entangled pairs of photons
DE19939574B4 (en) Method for three-dimensional object scanning

Legal Events

Date Code Title Description
R005 Application deemed withdrawn due to failure to request examination