DE102019008600A1 - Process for the interaction-free transfer of information using entangled pairs of photons - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung mittels verschränkter Photonen, bei dem eine Quelle (Q1) gleichzeitig zwei in mindestens einem sekundären Freiheitsgrad verschränkte Photonen (P1) und (P3) erzeugt und eine Quelle (Q2) gleichzeitig zwei in mindestens einem sekundären Freiheitsgrad verschränkte Photonen (P2) und (P4) erzeugt. Der Sender der Information (Alice) kann zur Übertragung einer binär kodierten Information mittels einer Messung der ersten Art (MT0) an den Photonen (P1) und (P2) das aus den Photonen (P3) und (P4) bestehende Quantensystem in einen gemischten Zustand der ersten Art (Z1) überführen und hierdurch den ersten logischen Zustand, vorzugsweise die logische 0, kodieren und mittels einer Messung der zweiten Art (MT1) an den Photonen (P1) und (P2) das aus den Photonen (P3) und (P4) bestehende Quantensystem in einen gemischten Zustand der zweiten Art (Z2) überführen und hierdurch den zweiten logischen Zustand, vorzugsweise die logische 1, kodieren. Zur Realisierung der Messung der ersten Art (MT0) wird ein Symmetrisches Phasengitter (SPG), vorzugsweise ein symmetrisches Reflexionsgitter, verwendet. Der Empfänger der Information (Bob) analysiert den Zustand der Photonen (P3) und (P4) im Hinblick auf die Eigenschaft gemischter Zustand der ersten Art (Z1) und gemischter Zustand der zweiten Art (Z2) und kann hieraus die übertragenen logischen Zustände zum Zwecke einer wechselwirkungsfreien Informationsübertragung erkennen. Der sekundärer Freiheitsgrad kann vorteilhafterweise mittels des Polarisationsfreiheitgrades und/oder des energetischen Freiheitsgrades realisiert werden. Zur Zustandsanalyse der Photonen (P3) und (P4) kann ein Strahlteiler, vorzugsweise ein symmetrischer Strahlteiler, verwendet werden.The invention relates to a method for interaction-free information transmission by means of entangled photons, in which a source (Q1) simultaneously generates two photons (P1) and (P3) entangled in at least one secondary degree of freedom and a source (Q2) simultaneously entangles two in at least one secondary degree of freedom Photons (P2) and (P4) generated. The transmitter of the information (Alice) can transmit the binary-coded information by means of a measurement of the first type (MT0) to the photons (P1) and (P2) the quantum system consisting of the photons (P3) and (P4) in a mixed state of the first type (Z1) and thereby encode the first logic state, preferably the logic 0, and by means of a measurement of the second type (MT1) on the photons (P1) and (P2) that of the photons (P3) and (P4 ) convert existing quantum system into a mixed state of the second type (Z2) and thereby encode the second logical state, preferably the logical 1. A symmetrical phase grating (SPG), preferably a symmetrical reflection grating, is used to implement the measurement of the first type (MT0). The receiver of the information (Bob) analyzes the state of the photons (P3) and (P4) with regard to the property mixed state of the first type (Z1) and mixed state of the second type (Z2) and can use this to transfer the logic states for the purpose recognize an interaction-free transfer of information. The secondary degree of freedom can advantageously be realized by means of the degree of polarization freedom and / or the degree of energy freedom. A beam splitter, preferably a symmetrical beam splitter, can be used for the state analysis of the photons (P3) and (P4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung mittels verschränkter Photonenpaare.The invention relates to a method for the interaction-free transmission of information by means of entangled pairs of photons.

Zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung ist das in [1] beschriebene Verfahren bekannt (siehe hierzu auch [2], wo dieses noch einmal zusammenfassend beschrieben und ausführlich diskutiert wird). Eine Übertragung von Informationen ohne einen Austausch von Energie (ohne eine Wechselwirkung) ist im Rahmen der klassischen Physik nicht möglich. Dieses ist nur im Rahmen der Quantenphysik mittels verschränkter Zustände denkbar. In [1] wird die Verschränkung so durchgeführt, dass diese eine wechselwirkungsfreie Informationsübertragung ermöglicht. Hierzu werden mehrere Quantenbits (Qubits) des Senders und des Empfängers zuvor in einen geeigneten Ausgangszustand präpariert. Diese können dann dadurch verschränkt werden, dass den zu verschränkenden Qubits ein definiertes Magnetfeld hinreichend schnell überlagert wird [1], [2]. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens kann jedoch darin gesehen werden, dass bei diesem Verfahren die für die Verschränkung erforderlichen Prozesse des Senders und des Empfängers sehr präzise zeitlich synchronisiert werden müssen. Dieses ist in der Praxis sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden.The method described in [1] is known for the interaction-free transfer of information (see also [2], where this is described again in detail and discussed in detail). A transfer of information without an exchange of energy (without an interaction) is not possible within the framework of classical physics. This is only conceivable in the context of quantum physics using entangled states. In [1], the entanglement is carried out in such a way that it enables interaction-free information transfer. For this purpose, several quantum bits (qubits) of the transmitter and the receiver are prepared beforehand in a suitable initial state. These can then be entangled by superimposing a defined magnetic field on the qubits to be entangled sufficiently quickly [1], [2]. The main disadvantage of this method, however, can be seen in the fact that in this method the processes of the transmitter and the receiver required for the entanglement have to be synchronized very precisely in time. In practice, this is very complex and involves high costs.

Weiter ist ein Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung mittels verschränkter Photonen bekannt [24]. Dieses bietet die Möglichkeit mittels zweier verschränkter Photonenpaare wechselwirkungsfrei Informationen zu übertragen. Der Sender kann hierzu an den zugänglichen Photonen zwei unterschiedliche Messungen durchführen. Welche Messung durchgeführt wurde, kann der Empfänger an den dort zugänglichen Photonen erkennen. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens kann jedoch darin gesehen werden, dass der erforderliche Aufbau technisch nur mit sehr großem Aufwand realisiert werden kann und daher sehr teuer ist.A method for the interaction-free transfer of information using entangled photons is also known [24]. This offers the possibility of transmitting information without interaction by means of two entangled pairs of photons. For this purpose, the transmitter can carry out two different measurements on the accessible photons. The receiver can tell which measurement was carried out by the photons accessible there. The main disadvantage of this method, however, can be seen in the fact that the required structure can only be implemented technically with great effort and is therefore very expensive.

Ausgehend hiervon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, dass in [24] beschriebene Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung dahingehend zu verbessern, dass das vorgeschlagene Verfahren mit einfachen Mitteln realisiert werden kann und ausschließlich kommerziell verfügbare Komponenten eingesetzt werden können.Proceeding from this, the object of the invention is to improve the method for interaction-free information transmission described in [24] in such a way that the proposed method can be implemented with simple means and only commercially available components can be used.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei hinreichend komplexen, verschränkten Quantensystemen mehrere Möglichkeiten für eine Messung an einem Teilsystem gibt, die das prinzipiell zugängliche Wissen über das verschränkte Quantensystem auf klar unterscheidbare Art und Weise ändern. Dieser Sachverhalt eröffnet die Möglichkeit einer frei wählbaren, wechselwirkungsfreien Zustandspräparation des Quantensystems. Eine Zustandspräparation und Zustandsanalyse mittels symmetrischer Strahlteiler ermöglicht dann eine wechselwirkungsfreie Informationsübertragung.The invention is based on the knowledge that, with sufficiently complex, entangled quantum systems, there are several possibilities for a measurement on a subsystem, which change the principally accessible knowledge of the entangled quantum system in a clearly distinguishable manner. This fact opens up the possibility of a freely selectable, interaction-free state preparation of the quantum system. A state preparation and state analysis using symmetrical beam splitters then enables an interaction-free transmission of information.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 bis 7 angegebenen Merkmalkombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7.To achieve this object, the combinations of features specified in claims 1 to 7 are proposed. Advantageous refinements and developments of the invention result from the dependent claims 2 to 7.

Um das hier vorgeschlagene Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung mittels verschränkter Photonen besser nachvollziehen zu können, ist es hilfreich, kurz auf einige ganz grundsätzliche Zusammenhänge einzugehen. Hierzu werden die in [2] verwendeten Begriffe und Bezeichnungen übernommen und wie in [2], bis auf Stellen an denen explizit von gemischten Zuständen gesprochen wird, ausschließlich reine Zustände betrachtet.In order to better understand the procedure proposed here for the interaction-free transfer of information by means of entangled photons, it is helpful to briefly consider some very basic relationships. For this purpose, the terms and designations used in [2] are adopted and, as in [2], apart from places where explicitly speaking of mixed states, only pure states are considered.

Verschränkte Quantensysteme können aufgrund des im Rahmen der Quantenphysik postulierten und durch eine große Anzahl von Experimenten belegten Superpositionsprinzips auftreten. Unter dem Superpositionsprinzip versteht man folgendes (siehe hierzu beispielsweise [3] und [4]): Gibt es bei der Präparation eines Zustandes mehrere unterschiedliche Möglichkeiten, in der Weise, dass es prinzipiell unmöglich ist, zu entscheiden, welche Möglichkeit realisiert wurde, so ergibt sich der durch den Präparationsprozess resultierende Zustand durch die, mit der jeweiligen Wahrscheinlichkeitsamplitude gewichtete Summe (bei einer abzählbaren Anzahl) der einzelnen Möglichkeiten.Entangled quantum systems can occur due to the superposition principle postulated in quantum physics and supported by a large number of experiments. The superposition principle is understood to mean the following (see, for example, [3] and [4]): If there are several different options when preparing a condition, it is in principle impossible to decide which option has been realized the state resulting from the preparation process is determined by the sum (with a countable number) of the individual possibilities, weighted with the respective probability amplitude.

Weiter wird im Rahmen der Quantenphysik für ein abgeschlossenes Quantensystem gefordert, dass die zeitliche Entwicklung (die Zustandsdynamik) mittels unitärer Operatoren beschreibbar sein muss. Dieses gilt dann natürlich auch für die Zustandsdynamik, die einem Präparationsprozess zugeordnet werden kann, solange dieser die Norm erhält. Präparationsprozesse, welche die Norm erhalten, müssen somit mittels unitärer Operatoren beschreibbar sein. Operatoren, die man als Beschreibung eines konkreten, physikalischen Prozesses auffassen kann, werden im Folgenden als „physikalisch realisierbare“ Operatoren bezeichnet.Furthermore, in the context of quantum physics for a closed quantum system, it is required that the temporal development (the state dynamics) must be describable using unitary operators. This of course also applies to the state dynamics, which can be assigned to a preparation process as long as it receives the standard. Preparation processes that receive the standard must therefore be carried out using unitary operators can be described. Operators that can be understood as a description of a concrete, physical process are referred to below as "physically realizable" operators.

Unabhängige Quantensysteme können im Rahmen der Quantenphysik immer durch Produktzustände beschrieben werden. Betrachtet man zwei unabhängige Quantensysteme 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 sei 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.Independent quantum systems can always be described by product states in the context of quantum physics. Consider two independent quantum systems A and B , with the system help dreams H A and H B , a description of the overall system takes place in the Hilbert space H BA = H B × H A formed by the tensor product of the system rooms. An operator E A the only on H A acts on H BA then the operator 1 × E A (1 is the identity operator here). One on H B localized operator E B is then on H BA assigned the operator 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 , i.e. as a tensor product of two operators acting locally on the respective system auxiliary spaces. Interactions between the systems are therefore based on H BA through operators W BA described, which can not be broken down into a tensor product by two locally operating operators. Interaction operators W BA are therefore always non-local operators.

Allerdings kann hieraus nicht geschlossen werden, dass jeder physikalisch realisierbare, eine Zustandstransformation beschreibende, nicht-lokale, unitäre Operator eine Wechselwirkung beschreibt und daher als Wechselwirkungsoperator aufgefasst werden muss. Dass es auch physikalisch realisierbare, eine Zustandstransformation beschreibende, nicht-lokale, unitäre Operatoren gibt, die nicht als Wechselwirkungsoperatoren aufgefasst werden können, lässt sich einfach anhand eines Beispiels aufzeigen:

  • Die betrachtete Anordnung ist schematisch in dargestellt.
However, it cannot be concluded from this that every physically realizable, non-local, unitary operator describing a state transformation describes an interaction and must therefore be understood as an interaction operator. An example shows that there are also physically realizable, non-local, unitary operators describing a state transformation that cannot be interpreted as interaction operators:
  • The arrangement under consideration is schematic in shown.

Zwei identisch aufgebaute Quellen Q1 und Q2 sollen zu frei wählbaren Zeitpunkten je 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 (siehe ).Two identically structured sources Q1 and Q2 should emit one photon each at freely selectable times. The source Q1 the photon 1 and the source Q2 the photon 2nd . The photon 1 should be on path a to a symmetrical, lossless beam splitter ST hit and the photon 2nd should be on path b to the beam splitter ST hit. The ways a and b are supposed to be on the beam splitter ST at the point P to meet. Next are the ways that the photons 1 and 2nd from the sources Q1 and Q2 to the point of impact P have to travel on the beam splitter, be exactly the same length. The source Q1 ( Q2 ) should be arranged so that the photon 1 (Photon 2nd ), if this is reflected on the beam splitter, on the way d (c) removed from the beam splitter and the photon 1 (Photon 2nd ) when this transmits the beam splitter, on the way c (d) removed from the beam splitter (see ).

Für die weitere Diskussion wird die folgende Schreibweise eingeführt: 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 Ψ 1 = | 0 > 2 | 1 > 1 = | 0,1 >

Figure DE102019008600A1_0001
zugeordnet werden. Die, durch den symmetrischen Strahlteiler bewirkte, Zustandstransformation lässt sich dann für zwei unterscheidbare Photonen (dieses kann beispielsweise dadurch erreicht werden, wenn die beiden identischen Photonen zeitlich so versetzt auf den Strahlteiler ST auftreffen, dass die den Photonen zugeordneten Wellenzüge (Wellenpakete) am Strahlteiler nicht überlappen) durch den unitären, lokalen Operator UST beschreiben [5], [6]: U ST = 1 4 | 0,0 | 0,1 | 1,0 | 1,1 0,0 | 0,1 | 1,0 | 1,1 | [ 1 i i -1 i 1 1 i i 1 1 i 1 i i 1 ]
Figure DE102019008600A1_0002
mit: U ST = 1 4 [ 1 i i 1 ] × [ 1 i i 1 ]
Figure DE102019008600A1_0003
The following notation is introduced for further discussion: flies a photon in the direction 1 (Path a and c ) the state | 1> i is assigned to the photon i (i = 1,2). The photon i flies in that direction 0 (Path b and d ), the state | 0> i is assigned to it. Before the two independent, identical photons use the beam splitter ST can reach the state Ψ 1 = | 0 > 2nd | 1 > 1 = | 0.1 >
Figure DE102019008600A1_0001
be assigned. The state transformation brought about by the symmetrical beam splitter can then be carried out for two distinguishable photons (this can be achieved, for example, if the two identical photons are so temporally offset on the beam splitter ST that the wave trains (wave packets) assigned to the photons do not overlap at the beam splitter) by the unitary, local operator U ST describe [5], [6]: U ST = 1 4th | 0.0 | 0.1 | 1.0 | 1.1 0.0 | 0.1 | 1.0 | 1.1 | [ 1 i i -1 i 1 - 1 i i - 1 1 i - 1 i i 1 ]
Figure DE102019008600A1_0002
With: U ST = 1 4th [ 1 i i 1 ] × [ 1 i i 1 ]
Figure DE102019008600A1_0003

Für den am Strahlteiler auslaufenden Zustand Ψ2 erhält man dann mit: Ψ 2 = U ST Ψ 1

Figure DE102019008600A1_0004
Ψ 2 = 1 / 4 2 ( i | 1 > 2 | 1 > 1 + i | 0 > 2 | 0 > 1 + | 0 > 2 | 1 > 1 | 1 > 2 | 0 > 1 ) .
Figure DE102019008600A1_0005
For the leaking state at the beam splitter Ψ 2 you get with: Ψ 2nd = U ST Ψ 1
Figure DE102019008600A1_0004
Ψ 2nd = 1 / 4th 2nd ( i | 1 > 2nd | 1 > 1 + i | 0 > 2nd | 0 > 1 + | 0 > 2nd | 1 > 1 - | 1 > 2nd | 0 > 1 ) .
Figure DE102019008600A1_0005

Da die Frage, wann zwei physikalisch vollkommen identische Quantensysteme als unterscheidbar angesehen werden können, immer wieder Anlass zu kontroversen Diskussionen gibt, ist es sinnvoll an dieser Stelle kurz auf den Begriff „unterscheidbare, identische Quantensysteme“ einzugehen:

  • Die am weitesten verbreitete und experimentell gut bestätigte Vorstellung, zu der Frage, wann man von unterscheidbaren, identischen Quantensystemen sprechen kann, lässt sich am einfachsten anhand eines Beispiels erläutern: Hierzu bieten sich die in [7] beschriebenen Experimente an, bei denen einzelne oder auch mehrere 40Ca+-Ionen in einer linearen Ionenfalle gespeichert werden können. Werden in der in [7] beschriebenen linearen Ionenfalle beispielsweise zwei 40Ca+-Ionen gespeichert, so sind die einzelnen Ionen in einem, in guter Näherung etwa kugelförmigen Raumbereich mit einem Durchmesser von etwa 2 µm lokalisiert. Die beiden Raumbereiche R1 (enthält das Ion 1) und R2 (enthält das Ion 2) haben dabei einen Abstand von etwa 5 µm. Die während des Betriebs der linearen Ionenfalle einzuhaltenden Randbedingungen stellen dabei sicher, dass mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden kann, dass die beiden Ionen ihre Plätze tauschen. Genau dieses ist der entscheidende Punkt. Die beiden Ionen können genau dann als unterscheidbar angesehen werden, wenn diesen aufgrund der Randbedingungen klar unterscheidbare Raumbereiche so zugeordnet werden können, dass diese räumlich voneinander isoliert sind. Überlappen zu irgendeinem Zeitpunkt die beiden Raumbereiche R1 und R2 , so können die beiden Ionen ab diesem Zeitpunkt im Allgemeinen nicht mehr als unterscheidbar angesehen werden.
Since the question of when two physically completely identical quantum systems can be regarded as distinguishable repeatedly gives rise to controversial discussions, it makes sense to briefly consider the term "distinguishable, identical quantum systems" at this point:
  • The most widespread and experimentally well-confirmed idea, when to speak of distinguishable, identical quantum systems, is easiest to explain using an example: The experiments described in [7], in which individual or also several 40 Ca + ions can be stored in a linear ion trap. If, for example, two 40 Ca + ions are stored in the linear ion trap described in [7], the individual ions are localized in a roughly spherical area with a diameter of approximately 2 µm. The two room areas R 1 (contains the ion 1 ) and R 2 (contains the ion 2nd ) have a distance of about 5 µm. The boundary conditions to be observed during the operation of the linear ion trap ensure that it is almost certain that the two ions can switch places. This is exactly the crucial point. The two ions can be regarded as distinguishable if and only if they can be assigned to clearly distinguishable spatial areas due to the boundary conditions so that they are spatially isolated from one another. At some point, the two areas overlap R 1 and R 2 , the two ions can generally no longer be regarded as distinguishable from this point in time.

Diese Vorstellung lässt sich nun zwanglos auch auf die in schematisch dargestellte Situation übertragen, bei der zwei identische Photonen auf den symmetrischen Strahlteiler ST treffen: Hierzu muss man dann natürlich in einem ersten Schritt den beiden Photonen Raumbereiche zuordnen, die beschreiben, wo die einzelnen Photonen zu einem bestimmten Zeitpunkt lokalisiert sind. Da Photonen sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, muss dieses dann natürlich auch für die entsprechenden Raumbereiche gelten. Die kleinsten denkbaren Raumbereiche sind daher Raumbereiche die sich mit den einzelnen Photonen mitbewegen und in Ausbreitungsrichtung der Ausdehnung der, den einzelnen Photonen zugeordneten, Wellenpakete (welche durch die jeweiligen Zustände beschrieben werden) entsprechen und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung durch die räumliche Abstrahlcharakteristik der jeweiligen Quelle festgelegt sind. Weiter ist zu beachten, dass einem einzelnen Photon, nachdem dieses den Strahlteiler passiert hat, ein Überlagerungszustand zugeordnet werden muss. Hinter dem Strahlteiler muss man somit jedem der beiden Zustandsanteile einen entsprechenden Raumbereich zuordnen. Weiter ist es eine experimentell gut bestätigte Tatsache, dass die einem Photon zugeordnete Energie am Strahlteiler nicht aufgeteilt wird. Die Energie eines Photons wird also am Strahlteiler entweder vollständig reflektiert oder vollständig transmittiert. Nach dem Strahlteiler kann die einem Photon zugeordnete Energie somit immer nur genau einem der beiden Zustandsanteile zugeordnet sein. Wobei es prinzipiell unmöglich ist, vorherzusagen, welchem Zustandsanteil die Energie des Photons zugeordnet werden muss.This idea can now be applied to the in schematically represented situation in which two identical photons on the symmetrical beam splitter ST meet: To do this, of course, in a first step you have to assign spatial areas to the two photons that describe where the individual photons are located at a certain point in time. Since photons move at the speed of light, this must of course also apply to the corresponding areas. The smallest conceivable spatial areas are therefore spatial areas that move with the individual photons and correspond in the direction of propagation to the expansion of the wave packets assigned to the individual photons (which are described by the respective states) and are defined perpendicular to the direction of propagation by the spatial radiation characteristics of the respective source . It should also be noted that a single photon, after it has passed the beam splitter, must be assigned a superposition state. Behind the beam splitter you have to assign a corresponding area to each of the two state components. Furthermore, it is an experimentally well confirmed fact that the energy assigned to a photon is not split up at the beam splitter. The energy of a photon is therefore either completely reflected or completely transmitted at the beam splitter. After the beam splitter, the energy assigned to a photon can therefore only ever be assigned to exactly one of the two state components. In principle, it is impossible to predict which part of the state the energy of the photon must be assigned to.

Die einem Photon zugeordnete Energie ist somit immer in einem der für das Photon zu diesem Zeitpunkt „möglichen“ Raumbereiche lokalisiert. Entweder in dem, dem reflektierten Zustandsanteil zugeordneten Raumbereich oder in dem, dem transmittierten Zustandsanteil zugeordneten Raumbereich. Um den Sprachgebrauch möglichst einfach halten zu können, soll hier auch dann von den für ein einzelnes Photon „möglichen“ Raumbereichen gesprochen werden, wenn sich das Photon noch vor dem Strahlteiler befindet und diesem dann natürlich nur genau ein Raumbereich zugeordnet werden kann.The energy assigned to a photon is therefore always located in one of the “possible” spatial areas at that time. Either in the area assigned to the reflected portion of the state or in the area assigned to the transmitted portion of the state. In order to keep the use of language as simple as possible, we should also speak of the “possible” room areas for a single photon if the photon is still in front of the beam splitter and of course only one room area can be assigned to it.

Für die in schematisch dargestellte Situation ergibt sich dann die folgende Aussage: Die beiden Photonen, das von der Quelle Q1 emittierte Photon 1 und das von der Quelle Q2 emittierte Photon 2, können somit zu einem bestimmten Zeitpunkt genau dann als unterscheidbar angesehen werden, wenn die für das Photon 1 zu diesem Zeitpunkt möglichen Raumbereiche mit den für das Photon 2 zu diesem Zeitpunkt möglichen Raumbereiche nicht überlappen. Überlappen die Raumbereich ab einem bestimmten Zeitpunkt, so können die beiden Photonen, abhängig vom Grad der Überlappung, im Allgemeinen ab diesem Zeitpunkt nicht mehr als unterscheidbar angesehen werden.For those in The situation is shown schematically: The two photons, the one from the source Q1 emitted photon 1 and that from the source Q2 emitted photon 2nd , can thus be regarded as distinguishable at a certain point in time if those for the photon 1 at this time possible spatial areas with those for the photon 2nd do not overlap possible room areas at this time. If the spatial areas overlap from a certain point in time, depending on the degree of overlap, the two photons can generally no longer be regarded as distinguishable from this point in time.

Basierend auf dieser Vorstellung lassen sich somit für die in schematisch dargestellte Situation drei Fälle unterscheiden:

  • Fall 1: Die den beiden Photonen zugeordneten Raumbereiche befinden sich noch vor dem Strahlteiler (siehe hierzu auch ): Da, die den beiden Photonen zu einem bestimmten Zeitpunkt TA zugeordneten, Raumbereiche R1 (Photon 1) und R2 (Photon 2) aufgrund der Randbedingungen (der gewählten Anordnung) prinzipiell erst dann überlappen können, wenn diese den Strahlteiler erreichen, können die beiden Photonen vor dem Strahlteiler mit Sicherheit als unterscheidbar angesehen werden. Dabei spielt es keine Rolle, zu welchen Zeitpunkten die beiden Quellen die einzelnen Photonen emittieren.
  • Fall 2: Die, den beiden Photonen zugeordneten, Raumbereiche erreichen den Strahlteiler zeitlich so versetzt, dass die für das Photon 1 möglichen Raumbereiche mit den für das Photon 2 möglichen Raumbereichen am Strahlteiler nicht überlappen: In diesem Fall können die beiden Photonen auch nach dem Strahlteiler mit Sicherheit als unterscheidbar angesehen werden, da die für das Photon 1 nach dem Strahlteiler möglichen Raumbereiche RT1 und RR1 mit den für das Photon 2 nach dem Strahlteiler möglichen Raumbereiche RT2 und RR2 aufgrund der Randbedingungen dann natürlich prinzipiell nicht überlappen können. Dabei bezeichnet RTi den Raumbereich, der dem transmittierten Zustandsanteil von Photon i (i = 1,2) zu einem bestimmten Zeitpunkt TB zugeordnet wird und RRi den Raumbereich, der dem reflektierten Zustandsanteil von Photon i zu dem Zeitpunkt TB zugeordnet wird (siehe hierzu auch ). Als auslaufender Zustand am Strahlteiler ergibt sich im Fall 2 daher gemäß Gl. (4) der Produktzustand Ψ2 . Eine vollkommen andere Situation liegt vor, wenn beide Quellen zeitgleich je ein Photon emittieren.
  • Fall 3: Beide Quellen emittieren zeitgleich je ein Photon: In diesem Fall treffen die, den einzelnen Photonen zugeordneten, Raumbereiche am Strahlteiler gleichzeitig ein. Ab dem Strahlteiler beginnen die für das Photon 1 möglichen Raumbereiche mit den für das Photon 2 möglichen Raumbereiche einander zu überlappen. Ab dem Zeitpunkt, ab dem die den beiden Photonen zugeordneten Raumbereiche den Strahlteiler vollständig passiert haben, überlappen die für das Photon 1 möglichen Raumbereiche maximal mit den für das Photon 2 möglichen Raumbereichen (RR1 = RT2 und RT1 = RR2). Die beiden Photonen müssen daher ab diesem Zeitpunkt als ununterscheidbar angesehen werden.
Based on this idea, the in differentiate between three cases:
  • case 1 : The spatial areas assigned to the two photons are still in front of the beam splitter (see also ): There, the two photons at a certain time T A assigned, room areas R 1 (Photon 1 ) and R 2 (Photon 2nd ) can only overlap due to the boundary conditions (of the chosen arrangement) when they reach the beam splitter, the two photons in front of the beam splitter can certainly be regarded as distinguishable. It does not matter at what times the two sources emit the individual photons.
  • case 2nd : The spatial areas assigned to the two photons reach the beam splitter at different times so that those for the photon 1 possible spatial areas with those for the photon 2nd possible space areas on the beam splitter do not overlap: In this case, the two photons can certainly be regarded as distinguishable even after the beam splitter, since the photons 1 possible areas after the beam splitter R T1 and R R1 with those for the photon 2nd possible areas after the beam splitter R T2 and R R2 because of the boundary conditions, of course, they cannot overlap in principle. Inscribed R Ti the spatial area that corresponds to the transmitted state portion of Photon i (i = 1,2) at a certain point in time T B is assigned and R Ri the spatial area that corresponds to the reflected state portion of Photon i at the time T B is assigned (see also ). In the case, the resulting state at the beam splitter results 2nd therefore according to Eq. (4) the product condition Ψ 2 . The situation is completely different if both sources emit a photon at the same time.
  • case 3rd : Both sources emit one photon at a time: In this case, the spatial areas assigned to the individual photons arrive at the beam splitter at the same time. Starting from the beam splitter, those for the photon begin 1 possible spatial areas with those for the photon 2nd possible areas of space overlap each other. From the point in time at which the spatial areas assigned to the two photons have completely passed the beam splitter, those for the photon overlap 1 maximum possible room areas with those for the photon 2nd possible areas (R R1 = R T2 and R T1 = R R2 ). From this point on, the two photons must therefore be regarded as indistinguishable.

Der Fall 3 ist der in diesem Zusammenhang relevante Fall. Da die beiden Photonen in diesem Fall nach dem Strahlteiler als ununterscheidbar angesehen werden müssen, kann der Zustand Ψ2 nicht als am Strahlteiler auslaufender Zustand angesehen werden, da dieser nicht die für ununterscheidbare Quantensysteme geforderten Symmetrieeigenschaften besitzt. Nach dem in der Quantenphysik gültigen Spin-Statistik-Theorem [8] erhält man für ununterscheidbare Photonen (ganz allgemein für Bosonen) den am Strahlteiler auslaufenden Zustand BΨ3 aus dem Zustand Ψ2 , indem man den Zustand Ψ2 symmetrisiert. Der Zustand BΨ3 ist dann gegeben durch B Ψ 3 = i / 2 1 / 2 ( | 1 > 2 | 1 > 1 + | 0 > 2 | 0 > 1 ) .

Figure DE102019008600A1_0006
The case 3rd is the relevant case in this context. Since the two photons must be regarded as indistinguishable after the beam splitter in this case, the state can Ψ 2 should not be regarded as a state at the beam splitter, since it does not have the symmetry properties required for indistinguishable quantum systems. According to the spin statistics theorem valid in quantum physics [8th] for indistinguishable photons (generally for bosons), the state B Ψ 3 at the beam splitter emerges from the state Ψ 2 by looking at the state Ψ 2 symmetrized. The state B Ψ 3 is then given by B Ψ 3rd = i / 2nd 1 / 2nd ( | 1 > 2nd | 1 > 1 + | 0 > 2nd | 0 > 1 ) .
Figure DE102019008600A1_0006

Würde es sich hier nicht um Bosonen, sondern um zwei Fermionen handeln, so müsste man den Zustand Ψ2 noch anti-symmetrisieren. Im Fall von Fermionen würde sich dann der Zustand F Ψ 3 = 1 / 2 1 / 2 ( | 0 > 2 | 1 > 1 | 1 > 2 | 0 > 1 )

Figure DE102019008600A1_0007
ergeben. Den korrekten Ausdruck für den am Strahlteiler auslaufenden Zustand erhält man somit erst, nachdem man den Zustand Ψ2 im Fall von Bosonen symmetrisiert oder im Fall von Fermionen anti-symmetrisiert hat. Erst die Anwendung des Spin-Statistik-Theorems auf den Zustand Ψ2 führt somit zu einer korrekten Beschreibung der betrachteten Situation am Strahlteiler ST.If it were not bosons but two fermions, the condition would have to be Ψ 2 still anti-symmetrize. In the case of fermions, the condition would change F Ψ 3rd = 1 / 2nd 1 / 2nd ( | 0 > 2nd | 1 > 1 - | 1 > 2nd | 0 > 1 )
Figure DE102019008600A1_0007
surrender. The correct expression for the state at the beam splitter can only be obtained after the state Ψ 2 symmetrized in the case of bosons or anti-symmetrized in the case of fermions. Only the application of the spin statistics theorem to the state Ψ 2 thus leads to a correct description of the situation under consideration at the beam splitter ST .

Treffen die bisherigen Überlegungen zu, so kann man die Anwendung des Spin-Statistik-Theorems auf den Zustand Ψ2 als Zustandstransformation auffassen. Den unitären Operator, der diese Zustandstransformation formal beschreibt, kann man einfach bestimmen, indem man den Zustand Ψ2 umschreibt. Bezüglich der Bell-Basis erhält man: Ψ 2 = 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 ( i Φ + Ψ ) = e i π / 2 1 / 2 ( e i π / 2 Φ + + Ψ ) = e i π / 2 1 / 2 ( | A > + | B > ) .

Figure DE102019008600A1_0008
mit: | A > = e i π /2 Φ +  und  | B > = Ψ ,  wobei gilt: < A | B > = 0.
Figure DE102019008600A1_0009
If the previous considerations apply, then one can apply the spin statistics theorem to the state Ψ 2 as a state transformation. The unitary operator that formally describes this state transformation can be determined simply by looking at the state Ψ 2 circumscribes. Regarding the Bell base you get: Ψ 2nd = 1 / 4th 1 / 2nd ( i | 1 > 2nd | 1 > 1 + i | 0 > 2nd | 0 > 1 + | 0 > 2nd | 1 > 1 - | 1 > 2nd | 0 > 1 ) = 1 / 2nd 1 / 2nd ( i Φ + - Ψ - ) = e i π / 2nd 1 / 2nd ( e - i π / 2nd Φ + + Ψ - ) = e i π / 2nd 1 / 2nd ( | A > + | B > ) .
Figure DE102019008600A1_0008
With: | A > = e - i π / 2nd Φ + and | B > = Ψ - , where: < A | B > = 0.
Figure DE102019008600A1_0009

Der Zustand Ψ2 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 U NLB = 1 2 | A | B A | B | [ 1 1 1 1 ]

Figure DE102019008600A1_0010
so erhält man: U NLB Ψ 2 = e i π | A > = i Φ + = Ψ B 3
Figure DE102019008600A1_0011
The state Ψ 2 can thus also be formally understood as an element of a two-dimensional vector space that is spanned by the orthogonal state vectors | A> and | B>. If one defines the unitary operator on this vector space U NLB according to U NLB = 1 2nd | A | B A | B | [ 1 1 - 1 1 ]
Figure DE102019008600A1_0010
how to get: U NLB Ψ 2nd = e i π | A > = i Φ + = Ψ B 3rd
Figure DE102019008600A1_0011

Für die betrachtete Situation am Strahlteiler kann die Wirkung der Anwendung des Spin-Statistik-Theorems auf den Zustand Ψ2 für Bosonen somit formal mittels des Operators UNLB beschrieben werden. Für den Fall, dass es sich bei den beiden Quantensystemen nicht um Bosonen sondern um Fermionen handelt, erhält man sofort: U NLF Ψ 2 = e i π | B > = Ψ = Ψ F 3

Figure DE102019008600A1_0012
mit: U NLF = ( U NLB ) 1 .
Figure DE102019008600A1_0013
For the considered situation at the beam splitter, the effect of the application of the spin statistics theorem on the state can be Ψ 2 for bosons formally using the operator U NLB to be discribed. In the event that the two quantum systems are not bosons but fermions, you immediately get: U NLF Ψ 2nd = e i π | B > = - Ψ - = Ψ F 3rd
Figure DE102019008600A1_0012
with U NLF = ( U NLB ) - 1 .
Figure DE102019008600A1_0013

UNLF ist dabei durch den zu UNLB inversen Operator gegeben. Insgesamt ergibt sich somit für die Zustandstransformation, die den einlaufenden Zustand in den auslaufenden Zustand überführt, für den Fall von zwei identischen Bosonen die Gleichung Ψ B 3 = U NLB U ST | 0,1 >

Figure DE102019008600A1_0014
und für den Fall von zwei identischen Fermionen die Gleichung Ψ F 3 = U NLF U ST | 0,1 > .
Figure DE102019008600A1_0015
U NLF is thereby through to U NLB given inverse operator. Overall, the equation results for the state transformation which converts the incoming state into the outgoing state in the case of two identical bosons Ψ B 3rd = U NLB U ST | 0.1 >
Figure DE102019008600A1_0014
and in the case of two identical fermions, the equation Ψ F 3rd = U NLF U ST | 0.1 > .
Figure DE102019008600A1_0015

Aus der Tatsache, dass die Operatoren UNLB und UNLF einen Produktzustand in einen verschränkten Zustand überführen, folgt, dass es sich bei diesen um nicht-lokale Operatoren handeln muss. Die entscheidende Frage ist nun die Folgende: Können die Operatoren UNLB und UNLF als Wechselwirkungsoperatoren aufgefasst werden? Da die Frage, ob jeder physikalisch realisierbare, eine Zustandstransformation beschreibende, nicht-lokale, unitäre Operator als Wechselwirkungsoperator aufgefasst werden kann, bisher nicht im Rahmen des der Quantenphysik zugrunde gelegten Formalismus allgemein beantwortet werden konnte, bleibt nur die Möglichkeit, jeden Einzelfall gesondert zu betrachten. Für das oben diskutierte Beispiel, wenn zwei identische Photonen zeitgleich auf den symmetrischen Strahlteiler treffen, lässt sich einfach zeigen, dass der Operator UNLB nicht als Wechselwirkungsoperator aufgefasst werden kann: Damit man den Operator UNLB als Wechselwirkungsoperator auffassen kann, muss man diesem auch eine Wechselwirkung zuordnen können. Da es bisher jedoch nicht gelungen ist, eine Wechselwirkung anzugeben, über die die beiden Photonen am Strahlteiler miteinander in Wechselwirkung treten können, kann der Operator UNLB in diesem Beispiel auch nicht als Wechselwirkungsoperator aufgefasst werden.From the fact that the operators U NLB and U NLF converting a product state into an entangled state, it follows that these must be non-local operators. The crucial question now is the following: Can the operators U NLB and U NLF to be understood as interaction operators? Since the question of whether every physically feasible, non-local, unitary operator describing a state transformation cannot be understood as an interaction operator, it has so far not been possible to answer the general question within the framework of the formalism on which quantum physics is based, so there is only the possibility of considering each individual case separately . For the example discussed above, when two identical photons hit the symmetrical beam splitter at the same time, it can easily be shown that the operator U NLB cannot be regarded as an interaction operator: so that the operator U NLB as an interaction operator, one must also be able to assign an interaction to it. However, since it has so far not been possible to specify an interaction via which the two photons on the beam splitter can interact with one another, the operator can U NLB in this example also not to be understood as an interaction operator.

Wie dieses Beispiel zeigt, gibt es somit physikalisch realisierbare, eine Zustandstransformation beschreibende, nicht-lokale, unitäre Operatoren die man nicht als Wechselwirkungsoperatoren auffassen kann. As this example shows, there are physically realizable, non-local, unitary operators describing a state transformation that cannot be regarded as interaction operators.

Dass der oben beschriebene Ansatz die in schematisch dargestellte Situation korrekt beschreibt, sieht man auch, wenn man diese im Bild der 2. Quantisierung beschreibt. Auf die in schematisch dargestellte Situation wird in [9] im Kapitel 6.8 (Gl. (6.8.6) bis (6.8.20)) ausführlich im Bild der 2. Quantisierung eingegangen. Die dort angegebenen Gleichungen sind ganz allgemein gültig. Diese ermöglichen nicht nur eine Beschreibung der oben diskutierten Grenzfälle (Fall 2 und Fall 3), sondern ermöglichen auch eine Beschreibung für den Fall, dass die den Photonen zugeordneten Wellenpakete am Strahlteiler teilweise überlappen.That the approach described above is in describes the schematically represented situation correctly, you can also see it when you see it in the picture 2nd . Quantization describes. On the in schematically represented situation is in [ 9 ] in the chapter 6.8 (Eq. (6.8.6) to (6.8.20)) in detail in the image of 2nd . Quantization received. The equations given there are generally valid. These not only allow a description of the borderline cases discussed above (case 2nd and case 3rd ), but also enable a description in the event that the wave packets assigned to the photons partially overlap at the beam splitter.

Für den Fall, dass man nur an den beiden oben diskutierten Grenzfällen interessiert ist, lassen sich die in [9] angegebene Gleichungen vereinfachen. Hierzu werden im Folgenden die in [9] eingeführten Symbole und Definitionen übernommen und die Ergebnisse kurz wiedergegeben. Für Details wird auf [9] verwiesen. Wenn die beiden Photonen als voneinander unabhängig angesehen werden können, kann der am symmetrischen, verlustfreien Strahlteiler ST einlaufende Zustand dann durch den Zustand | IN > = dt dt' ξ ( t ) ξ ( t' ) a +   1 ( t )   a +   2 ( t' ) | 0 > = ( dt     ξ ( t' ) a +   1 ( t ) ) ( dt'   ξ ( t' )   a +   2 ( t' ) ) | 0 > = a +   1 , ξ , ( t ) a +   2 , ξ , ( t' ) | 0 > = | 1 > 1, ξ ( t ) | 1 > 2, ξ ( t' )

Figure DE102019008600A1_0016
beschrieben werden. Nach den Überlegungen in [9] können die beiden Photonen in der oben betrachteten Situation, solange diese sich noch vor dem Strahlteiler ST befinden, als voneinander unabhängig angesehen werden, da für die Quellen Q1 und Q2 angenommen wurde, dass diese unabhängig voneinander betrieben werden können. Ein Indiz dafür, dass diese Annahme zulässig ist, liefern beispielsweise auch die in [10] beschriebenen Experimente.In the event that one is only interested in the two borderline cases discussed above, the in [ 9 ] simplify the given equations. For this purpose, the following in [ 9 ] symbols and definitions introduced and the results briefly reproduced. For details, see [ 9 ] referred. If the two photons can be regarded as independent of each other, the one on the symmetrical, lossless beam splitter ST incoming state then by the state | IN > = German dt ' ξ ( t ) ξ ( t ' ) a + 1 ( t ) a + 2nd ( t ' ) | 0 > = ( German ξ ( t ' ) a + 1 ( t ) ) ( dt ' ξ ( t ' ) a + 2nd ( t ' ) ) | 0 > = a + 1 , ξ , ( t ) a + 2nd , ξ , ( t ' ) | 0 > = | 1 > 1, ξ ( t ) | 1 > 2, ξ ( t ' )
Figure DE102019008600A1_0016
to be discribed. After the considerations in [ 9 ] the two photons can in the situation considered above, as long as they are still in front of the beam splitter ST are considered to be independent of each other because of the sources Q1 and Q2 it was assumed that these can be operated independently of one another. An indication that this assumption is permissible is provided, for example, by those in [ 10 experiments described.

Nachdem die beiden Photonen den Strahlteiler passiert haben, kann das Quantensystem für die hier betrachteten Grenzfälle durch den Zustand | OUT > = dt  dt'  ξ ( t ) ξ ( t' ) [ 2 ( a +    3 ( t ) a +    3 ( t' ) + a +   4 ( t ) a +   4 ( t' ) ) + 1 / 2 ( a +   4 ( t ) a +    3 ( t' ) a +    3 ( t ) a +   4 ( t' ) ) ] | 0 > = [ i / 2 ( a +    3, ξ ( t ) a +    3, ξ ( t' ) + a +   4 , ξ ( t ) a +    3, ξ ( t' ) ) + 1 / 2 ( a +   4 , ξ ( t ) a +   3 , ξ ( t' ) a +   3 , ξ ( t ) a +   4 , ξ ( t' ) ) ] | 0 >

Figure DE102019008600A1_0017
beschrieben werden. Überlappen die den Photonen zugeordneten Wellenpakete am Strahlteiler nicht, so erhält man den am Strahlteiler auslaufenden Zustand gemäß | OUT 2 > = i/2 ( | 1 > 3, ξ ( t ) | 1 > 3, ξ ( t' ) + | 1 > 4, ξ ( t ) | 1 > 4, ξ ( t' ) ) + 1 / 2 ( | 1 > 4, ξ ( t ) | 1 > 3, ξ ( t' ) | 1 > 3, ξ ( t ) | 1 > 4, ξ ( t' ) ) .
Figure DE102019008600A1_0018
After the two photons have passed the beam splitter, the quantum system can for the limit cases considered here by the state | OUT > = German dt ' ξ ( t ) ξ ( t ' ) [ 2nd ( a + 3rd ( t ) a + 3rd ( t ' ) + a + 4th ( t ) a + 4th ( t ' ) ) + 1 / 2nd ( a + 4th ( t ) a + 3rd ( t ' ) - a + 3rd ( t ) a + 4th ( t ' ) ) ] | 0 > = [ i / 2nd ( a + 3, ξ ( t ) a + 3, ξ ( t ' ) + a + 4th , ξ ( t ) a + 3, ξ ( t ' ) ) + 1 / 2nd ( a + 4th , ξ ( t ) a + 3rd , ξ ( t ' ) - a + 3rd , ξ ( t ) a + 4th , ξ ( t ' ) ) ] | 0 >
Figure DE102019008600A1_0017
to be discribed. If the wave packets assigned to the photons do not overlap on the beam splitter, the state which is running out on the beam splitter is obtained accordingly | OUT 2nd > = i / 2 ( | 1 > 3, ξ ( t ) | 1 > 3, ξ ( t ' ) + | 1 > 4, ξ ( t ) | 1 > 4, ξ ( t ' ) ) + 1 / 2nd ( | 1 > 4, ξ ( t ) | 1 > 3, ξ ( t ' ) - | 1 > 3, ξ ( t ) | 1 > 4, ξ ( t ' ) ) .
Figure DE102019008600A1_0018

Die, der Überführung des einlaufenden Zustands |IN> in den auslaufenden Zustand |OUT2> zugeordnete Zustandstransformation (Strahlteilereigenschaft) entspricht dann gerade der im Bild der 1. Quantisierung durch den Operator UST (Gl. (2)) beschriebenen Zustandstransformation. Wie die Überlegungen in [9] zeigen, können in diesem Fall die Photonen somit auch nach dem Strahlteiler als unterscheidbar angesehen werden.The state transformation (beam splitter property) assigned to the transition of the incoming state | IN> into the outgoing state | OUT 2 > then corresponds exactly to that in the image of the 1st quantization by the operator U ST (Eq. (2)) described state transformation. As the considerations in [ 9 ] show, in this case the photons can be regarded as distinguishable even after the beam splitter.

Für den Fall, dass die beiden Photonen den Strahlteiler gleichzeitig erreichen, lässt sich Gl. (SQ.2) unter Verwendung der Gleichung | 2 > i , ξ = 1 / 2 1 / 2 a +   1 , ξ a +   i , ξ | 0 > ,  mit i = 3,4

Figure DE102019008600A1_0019
umschreiben zu | OUT 3 > = i / 2 1 / 2 ( | 2 > 3, ξ + | 2 > 4, ξ ) + 1 / 2 ( a +   4 , ξ ( t ) a +   3 , ξ ( t' ) a +   3 , ξ ( t ) a +   4 , ξ ( t' ) ) | 0 > .
Figure DE102019008600A1_0020
In the event that the two photons reach the beam splitter at the same time, Eq. (SQ.2) using the equation | 2nd > i , ξ = 1 / 2nd 1 / 2nd a + 1 , ξ a + i , ξ | 0 > , with i = 3.4
Figure DE102019008600A1_0019
rewrite to | OUT 3rd > = i / 2nd 1 / 2nd ( | 2nd > 3, ξ + | 2nd > 4, ξ ) + 1 / 2nd ( a + 4th , ξ ( t ) a + 3rd , ξ ( t ' ) - a + 3rd , ξ ( t ) a + 4th , ξ ( t ' ) ) | 0 > .
Figure DE102019008600A1_0020

Berücksichtigt man nun noch, dass in diesem Fall gilt ( a +   4 , ξ ( t ) a +   3 , ξ ( t' ) a +   3 , ξ ( t ) a +   4 , ξ ( t' ) ) = [ a +   4 , ξ ( t ) , a +   3 , ξ ( t' ) ]

Figure DE102019008600A1_0021
so erhält man für den am Strahlteiler auslaufenden Zustand den Ausdruck | OUT 3 > = i/2 1 / 2 ( | 2 > 3, ξ + | 2 > 4, ξ ) .
Figure DE102019008600A1_0022
Now take into account that in this case applies ( a + 4th , ξ ( t ) a + 3rd , ξ ( t ' ) - a + 3rd , ξ ( t ) a + 4th , ξ ( t ' ) ) = [ a + 4th , ξ ( t ) , a + 3rd , ξ ( t ' ) ]
Figure DE102019008600A1_0021
in this way you get the printout for the state at the beam splitter | OUT 3rd > = i / 2 1 / 2nd ( | 2nd > 3, ξ + | 2nd > 4, ξ ) .
Figure DE102019008600A1_0022

Der Zustand |OUT3> entspricht somit gerade dem Zustand BΨ3 im Bild der 1. Quantisierung. Betrachtet man den Übergang von Gl. (SQ.2) zu Gl. (SQ.7) als Zustandstransformation, so sieht man, dass die Wirkung der Kommutatorrelation Gl. (SQ.6) darin besteht, die, nur für unterscheidbare Quantensysteme möglichen Zustandsanteile in Gl. (SQ.2), zu unterdrücken. Die Anwendung der Kommutatorrelaton in Verbindung mit Gl. (SQ.4) auf den Zustand |OUT>, entspricht somit gerade der Anwendung des Operators UNLB auf den Zustand Ψ2 im Bild der 1. Quantisierung.The state | OUT 3 > thus corresponds exactly to the state B Ψ 3 in the image of the first quantization. If we consider the transition from Eq. (SQ.2) to Eq. (SQ.7) as a state transformation, it can be seen that the effect of the commutator relation Eq. (SQ.6) consists of the state components in Eq., Which are only possible for distinguishable quantum systems. (SQ.2) to suppress. The application of the commutator relaton in connection with Eq. (SQ.4) to the state | OUT>, thus corresponds exactly to the application of the operator U NLB on the condition Ψ 2 in the picture of the 1st quantization.

Hieraus folgt, dass die beiden identischen Photonen, wenn diese gleichzeitig am Strahlteiler eintreffen, im Bild der 2. Quantisierung nach dem Strahlteiler als ununterscheidbar angesehen werden müssen.It follows from this that the two identical photons, if they arrive at the beam splitter at the same time, in the image of 2nd . Quantization after the beam splitter must be regarded as indistinguishable.

Wie diese Überlegungen zeigen, entspricht die Beschreibung im Bild der 2. Quantisierung somit der Beschreibung im Bild der 1. Quantisierung. Jedoch wurde auch in [9] nicht erkannt, dass es, wie dieses Beispiel zeigt, physikalisch realisierbare, eine Zustandstransformation beschreibende, nicht-lokale, unitäre Operatoren gibt, die man nicht als Wechselwirkungsoperatoren auffassen kann.As these considerations show, the description in the picture corresponds to 2nd . Quantization thus the description in the image of the 1st quantization. However, it was also not recognized in [9] that, as this example shows, there are physically realizable, non-local, unitary operators describing a state transformation that cannot be regarded as interaction operators.

Wenn zwei identische, unterscheidbare Photonen gleichzeitig auf einen symmetrischen Strahlteiler treffen (Fall 3), hat der, die Zustandstransformation am Strahlteiler beschreibende, Operator USTQ = UNLB UST eine bemerkenswerte Eigenschaft:

  • Der Operator USTQ lässt sich mit Hilfe der Pauli-Matrix σ2 schreiben zu: U STQ = 1 2 [ [ 0 i i 0 ] × 1 + 1 × [ 0 i i 0 ] ]
    Figure DE102019008600A1_0023
    U STQ = 1 2 | 0,0 | 0,1 | 1,0 | 1,1 0,0 | 0,1 | 1,0 | 1,1 | [ 0 i -i 0 -i 0 0 -i i 0 0 i 0 i -i 0 ]
    Figure DE102019008600A1_0024
    mit:
  • σ 2 = [ 0 i i 0 ]
    Figure DE102019008600A1_0025
When two identical, distinguishable photons hit a symmetrical beam splitter at the same time (case 3rd ), the operator U STQ = U NLB U ST , which describes the state transformation at the beam splitter, has a remarkable property:
  • The operator U STQ can be written using the Pauli matrix σ 2 : U STQ = 1 2nd [ [ 0 - i i 0 ] × 1 + 1 × [ 0 i - i 0 ] ]
    Figure DE102019008600A1_0023
    U STQ = 1 2nd | 0.0 | 0.1 | 1.0 | 1.1 0.0 | 0.1 | 1.0 | 1.1 | [ 0 i -i 0 -i 0 0 -i i 0 0 i 0 i -i 0 ]
    Figure DE102019008600A1_0024
    With:
  • σ 2nd = [ 0 - i i 0 ]
    Figure DE102019008600A1_0025

Der Operator USTQ hat nun folgende bemerkenswerte Eigenschaft: In einem ersten Schritt (aufgrund der Wirkung von UST ) wird das energetisch repräsentierte Quantensystem im Zustand |0,1> in das elementare Quantensystem im Zustand Ψ2 überführt. In einem zweiten Schritt (aufgrund der Wirkung von UNLB ) wird das elementare Quantensystem im Zustand Ψ2 in ein energetisch repräsentiertes Quantensystem im Zustand BΨ3 überführt (siehe hierzu auch [2] und die Anmerkungen weiter unten).The operator U STQ now has the following remarkable property: In a first step (due to the effect of U ST ) the energetically represented quantum system is in the state | 0.1> in the elementary quantum system in the state Ψ 2 transferred. In a second step (due to the effect of U NLB ) the elementary quantum system becomes in the state Ψ 2 transferred to an energetically represented quantum system in state B Ψ 3 (see also [ 2nd ] and the notes below).

Elementare Quantenzustände müssen den, von dem Physiker und Philosophen David Bohm postulieren, inneren Eigenschaften zugeordnet werden. Als eingefaltete Eigenschaften der impliziten Ordnung (siehe hierzu auch [14]). Die Wirkung des hermitschen Operators USTQ liegt somit primär innerhalb der impliziten Ordnung (aufgrund der nicht-lokalen Wirkung von UNLB ) und wirkt damit nur indirekt auf die physikalische Welt (auf energetisch repräsentierte Quantensysteme) ein.Elementary quantum states must be assigned to the internal properties that physicist and philosopher David Bohm postulates. As folded properties of the implicit order (see also [ 14 ]). The effect of the Hermitian operator U STQ is therefore primarily within the implicit order (due to the non-local effect of U NLB ) and thus only has an indirect effect on the physical world (on energetically represented quantum systems).

Auch die Wirkung des in [2] auf Seite 23 angegebenen unitären Operators UKV liegt primär innerhalb der impliziten Ordnung. Dieser beschreibt den Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen, bei dem ein elementares Quantensystem in ein energetisches überführt wird. Auch der Operator UKV wirkt wie UNLB auf elementare Zustände ein. Im Folgenden werden nicht-lokale Operatoren, die auf elementaren Zuständen wirken und ein elementares Quantensystem in ein energetisch repräsentiertes überführen, als primär elementare Operatoren bezeichnet. Diese Bezeichnung wird auch dann verwendet, wenn der Operator in einem ersten Schritt ein energetisch repräsentiertes Quantensystem in ein elementares (wie der Operator USTQ ) überführt und erst in einem zweiten Schritt ein elementares Quantensystem in ein energetisches überführt. Daher wird hier postuliert:

  • Postulat PIO: Hermitsche und unitäre Operatoren die als primär elementare Operatoren aufgefasst werden können, wirken primär innerhalb der impliziten Ordnung. Erst durch den Vorgang des Entfaltens wird der Wirkung dieser Operatoren in der physikalischen Welt eine energetische Repräsentation zugeordnet und diese damit sichtbar (messbar).
The effect of the in [ 2nd ] on page 23 specified unitary operator U KV lies primarily within the implicit order. This describes the process of coherently coupled vacuum fluctuations, in which an elementary quantum system is converted into an energetic one. The operator too U KV acts like U NLB elementary states. In the following, non-local operators, which act on elementary states and convert an elementary quantum system into an energetically represented one, are referred to as primary elementary operators. This term is also used when the operator first transforms an energetically represented quantum system into an elementary one (like the operator U STQ ) transferred and only in a second step an elementary quantum system into an energetic one. Therefore it is postulated here:
  • Postulate PIO: Hermitian and unitary operators, which can be regarded as primary elementary operators, operate primarily within the implicit order. It is only through the process of unfolding that the effect of these operators in the physical world is assigned an energetic representation and is therefore visible (measurable).

Dieses hat weitreichende Folgen: Wirkungen innerhalb der impliziten Ordnung sind grundsätzlich nicht-lokal und wirken augenblicklich [14]. Allerdings scheinen sich diese Wirkungen nur im Spin-Freiheitsgrad und bei allgemeinen Erhaltungssätzen, wie beispielsweise der Energie- oder Impulserhaltung auszuwirken. Warum dieses so ist, ist bislang jedoch unklar.This has far-reaching consequences: effects within the implicit order are fundamentally non-local and have an immediate effect [ 14 ]. However, these effects only seem to have an impact on the degree of spin freedom and on general conservation laws, such as energy or momentum conservation. However, it is still unclear why this is so.

Weiter gibt es handfeste Argumente Bewusstsein ganz grundsätzlich und damit insbesondere das menschliche Bewusstsein und die diesem zugeschriebenen Fähigkeiten wie etwa die der Wahrnehmung, verbunden mit Empfindungen und Gefühlen, der impliziten Ordnung zuzuordnen (siehe hierzu [14] und [2]). Alternative Ansätze, wie der von der großen Mehrheit der Bewusstseinsforscher vertretene materialistische Ansatz, dass Bewusstsein als emergente Eigenschaft bei hinreichend komplexen Systemen (Gehirn) auf materieller Basis entsteht, müssen im Unterschied zu dem Ansatz von David Bohm erst noch zeigen, wie dieses denn geschehen soll. Die Aussage „irgendwie“ ist nicht ausreichend. Nur: Mehr hat man im Rahmen dieser Ansätzen bisher nicht vorzulegen.There are also concrete arguments for consciousness to be assigned very fundamentally and thus in particular human consciousness and the abilities ascribed to it, such as that of perception combined with sensations and feelings, to the implicit order (see [ 14 ] and [ 2nd ]). In contrast to the approach of David Bohm, alternative approaches, such as the materialistic approach advocated by the vast majority of consciousness researchers that consciousness arises as an emergent property in sufficiently complex systems (brains), still have to show how this should be done . The statement "somehow" is not sufficient. Only: There is nothing more to be presented in the context of these approaches.

Für das Bewusstsein und die diesem zugeordneten Eigenschaften wird hier postuliert:

  • Postulat PIB: Bewusstsein und die diesem zugeordneten Eigenschaften sind Teil der impliziten Ordnung. Die Interaktion von Bewusstsein mit der physikalischen Welt (der Welt der Materie und Energie) kann mittels primär elementarer Operatoren formal beschrieben werden. Diese Interaktion wird durch den Vorgang des Entfaltens bewirkt und damit sichtbar (messbar). Ein möglicher Prozess für eine Interaktion von Bewusstsein und Gehirn ist der in [2] beschriebene Prozess der kohärent gekoppelten Vakuumfluktuationen.
The following is postulated for consciousness and the properties associated with it:
  • Postulate PIB: consciousness and the properties assigned to it are part of the implicit order. The interaction of consciousness with the physical world (the world of matter and energy) can be formally described using primarily elementary operators. This interaction is brought about by the unfolding process and is therefore visible (measurable). A possible process for an interaction between consciousness and brain is that in [ 2nd ] described process of coherently coupled vacuum fluctuations.

Obwohl mit Sicherheit nicht jeder primär elementare Operator eine Interaktion des Gehirns mit unserem Bewusstsein oder Geist beschreibt und noch nicht klar ist, wie die hierfür in Frage kommenden Operatoren klassifiziert werden können, bieten primär elementare Operatoren erstmals die Möglichkeit die Interaktion des Bewusstseins oder des Geistes mit dem Gehirn im Rahmen der Naturwissenschaften mittels eines etablierten Formalismus erforschen zu können.Although certainly not every primary elementary operator describes an interaction of the brain with our consciousness or mind and it is not yet clear how the operators in question can be classified, primary elementary operators offer the possibility of the interaction of consciousness or mind for the first time to be able to research the brain in the natural sciences using an established formalism.

Es wird oft das Argument angeführt, dass Quantenprozesse (und die durch diese möglichen Verschränkungen) im Gehirn zwar auftreten können, aber für die Funktionsweise bei den informationsverarbeitenden Prozessen keine Rolle spielen, da die Temperatur im Gehirn hierfür viel zu hoch ist und daher kohärente Prozesse auf Quantenebene keinen Einfluss auf die Arbeitsweise des Gehirns und das Bewusstsein haben können. Das trifft für energetisch repräsentierte Quantensysteme vermutlich zu. Dieses Argument trifft mit Sicherheit jedoch nicht auf elementare Quantensysteme zu. Elementare Quantensysteme liegen außerhalb der physikalischen Welt. Eine Dekohärenz durch materielle oder energetische Einflüsse ist damit grundsätzlich ausgeschlossen.The argument is often made that quantum processes (and the possible entanglements) can occur in the brain, but do not play a role in how information processing processes work, since the temperature in the brain is much too high for this and therefore coherent processes Quantum level can have no influence on the functioning of the brain and consciousness. This probably applies to energetically represented quantum systems. This argument certainly does not apply to elementary quantum systems. Elementary quantum systems lie outside the physical world. Decoherence due to material or energetic influences is therefore fundamentally excluded.

Um den Grundgedanken des in dieser Arbeit vorgeschlagenen Verfahrens zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung mittels Photonen besser nachvollziehen zu können, ist es hilfreich kurz das in der Literatur beschriebene Verfahren zur „Wechselwirkungsfreien Quantenmessung“ zu betrachten [11] (siehe hierzu auch [12]). Der grundsätzliche Aufbau des in [11] vorgeschlagenen Experiments ist in schematisch dargestellt. Für die „wechselwirkungsfreie Messung“ wird ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet. Das Mach-Zehnder-Interferometer besteht aus dem Strahlteiler ST1, den beiden (idealen, verlustfreien) Spiegeln SP1 und SP2 und dem Strahlteiler ST2. Das Experiment soll zeigen, dass es möglich ist, wechselwirkungsfrei (ohne einen Austausch von Energie) die Anwesenheit eines Absorbers in einem der Strahlengänge zu detektieren. Doch stimmt das? Um die Antwort vorweg zu nehmen: Nein. In order to better understand the basic idea of the method for interaction-free information transfer by means of photons, it is helpful to briefly consider the method for "interaction-free quantum measurement" described in the literature [ 11 ] (see also [ 12th ]). The basic structure of the in [ 11 ] proposed experiment is in shown schematically. A Mach-Zehnder interferometer is used for the “interaction-free measurement”. The Mach-Zehnder interferometer consists of the beam splitter ST1 , the two (ideal, lossless) mirrors SP1 and SP2 and the beam splitter ST2 . The experiment should show that it is possible to detect the presence of an absorber in one of the beam paths without interaction (without an exchange of energy). But is that true? To anticipate the answer: No.

Im strengen Sinne kann man nicht von einem Verfahren zur wechselwirkungsfreien Messung sprechen. Um etwas messen zu können, müssen wenigstens zwei unterschiedliche Messergebnisse möglich sein. Damit man dieses Verfahren als wechselwirkungsfrei bezeichnen kann, darf es zu keinem Zeitpunkt einen Energieaustausch (eine Wechselwirkung) zwischen dem Ort wo das zu messende Objekt in den Strahlengang eingebracht werden kann und den für die Messungen herangezogenen Detektoren geben. Diese Bedingung ist in [11] nicht für alle möglichen Messergebnisse erfüllt. Zwar ist für das Messergebnis, das die Anwesenheit des Objektes im Strahlengang eindeutig anzeigt, keine Wechselwirkung erforderlich. Aber selbst für dieses Messergebnis ist es zwingend erforderlich, dass ein Energieaustausch grundsätzlich möglich ist (und tatsächlich in dem Fall, wenn beide Strahlengänge zur Verfügung stehen, in 50% der Fälle auch stattfindet), da sonst die Eindeutigkeit, die durch das Verfahren (den Aufbau) sichergestellt wird, verloren geht. Somit kann im strengen Sinne nicht von einem Verfahren zur wechselwirkungsfreien Messung gesprochen werden. Das Experiment bestätigt lediglich die Existenz nicht-lokaler Wirkungen, wie man sie bereits vom Doppelspalt-Versuch kennt.In a strict sense, one cannot speak of a method for interaction-free measurement. To be able to measure something, at least two different measurement results must be possible. So that this method can be described as interaction-free, there must never be an energy exchange (an interaction) between the location where the object to be measured can be inserted into the beam path and the detectors used for the measurements. This condition is in [ 11 ] not met for all possible measurement results. No interaction is required for the measurement result, which clearly indicates the presence of the object in the beam path. But even for this measurement result, it is imperative that an energy exchange is fundamentally possible (and actually takes place in 50% of the cases if both beam paths are available), since otherwise the uniqueness caused by the method (the Structure) is ensured, is lost. Thus, in a strict sense, one cannot speak of a method for interaction-free measurement. The experiment only confirms the existence of non-local effects, as already known from the double slit experiment.

Dieses lässt sich einfach einsehen. Nimmt man an, dass ein Experimentator „Alice“ frei entscheiden kann, wann Sie einen Absorber (AB) an der Stelle (A) in den Strahlengang einbringt, so müsste ein zweiter Experimentator „Bob“ anhand der Ihm zur Verfügung stehenden Vorrichtung (bestehend aus dem symmetrischen, verlustfreien Strahlteiler ST2 und den beiden Detektoren D1 und D2) erkennen können, wann Alice Ihren Absorber (AB) in den Strahlengang verbracht hat und wann nicht. Hierzu darf jedoch zu keinem Zeitpunkt Energie aus dem Raumbereich von Alice zu dem Raumbereich von Bob übertragen werden, da es sich sonst nicht um ein Verfahren zur wechselwirkungsfreien Messung handeln kann.This is easy to see. Assuming that an experimenter "Alice" can freely decide when to use an absorber (AB) at the point ( A ) into the beam path, a second experimenter "Bob" would have to use the device available to him (consisting of the symmetrical, lossless beam splitter ST2 and the two detectors D1 and D2 ) can recognize when Alice is using your absorber ( FROM ) has spent in the beam path and when not. For this purpose, however, energy from Alice's room area must not be transferred to Bob's room area at any time, since otherwise it cannot be a method for interaction-free measurement.

Würden sich Photonen wie klassische Teilchen verhalten, kann anhand der Detektoren D1 und D2 die Anwesenheit des Absorbers (AB) lediglich dadurch erkannt werden kann, dass sich die Summe der von beiden Detektoren detektierten Anzahl an Photonen pro Zeit halbiert. Werden ohne Absorber beispielsweise im Mittel 1000 Photonen pro Sekunde detektiert, so sind es mit Absorber lediglich 500 Photonen pro Sekunde. Wobei angenommen wurde, dass die im Mittel von der Quelle Q emittierte Anzahl an Photonen pro Sekunde konstant bleibt.If photons would behave like classic particles, the detectors can D1 and D2 the presence of the absorber ( FROM ) can only be recognized by halving the sum of the number of photons detected by both detectors per time. On average, for example, without an absorber 1000 Detected photons per second, with absorbers it is only 500 photons per second. It was assumed that the mean of the source Q emitted number of photons per second remains constant.

Wie wird nun das Experiment im Rahmen der Quantenphysik beschrieben? Formal wird hierzu die Standardinterpretation der Quantenphysik zugrunde gelegt (siehe hierzu beispielsweise [13]). Das zentrale Element zur Beschreibung eines Experimentes ist der Zustand. Unter einem Zustand versteht man dann folgendes (siehe hierzu [13], 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.“
How is the experiment described in the context of quantum physics? Formally, the standard interpretation of quantum physics is used (see, for example, [ 13 ]). The central element for the description of an experiment is the state. A state is then understood to mean the following (see [ 13 ], Page 30th ):
  • “The state of a quantum system is assigned to the special preparation process that was carried out. We understand a quantum state to be the mathematical (!) Object that allows the probability of the results of all possible measurements to be unambiguously calculated on systems that have undergone the assigned preparation process. The quantum state thus characterizes the preparation process. "

Um ein Experiment beschreiben zu können, muss man somit für dieses einen Zustand angeben. Wie kommt man nun zu dem entsprechenden Zustand? Streng genommen ist man hierfür auf Metaphern, auf Bilder angewiesen. Man überträgt Vorstellungen aus der klassischen Physik auf die Quantenphysik. Und kommt dann zu Aussagen wie „einerseits zeigt ein Photon Teilcheneigenschaften, ...andererseits verhält es sich wie eine Welle“ (siehe hierzu beispielsweise [12]). Man ordnet einem einzelnen Quantensystem in Gedanken Eigenschaften zu, die im Rahmen der klassischen Physik zusammen genommen unmöglich sind und tut dann formal so, als ob man einzelnen Quantensystemen (hier Photonen) keinen Zustand zuordnen kann (der Zustand beschreibt formal das Experiment, die betrachtete Situation, nicht ein einzelnes Photon!). Obwohl man auf diese Art und Weise einen Zustand erhält, der die möglichen Ergebnisse des Experiments adäquat beschreibt. Was an sich schon erstaunlich ist. Der Grund für diese intellektuellen Klimmzüge kann wohl nur darin gesehen werden, dass es bisher nicht gelungen ist, für die Quantenphysik eine adäquate Interpretation anzugeben [14].In order to be able to describe an experiment, one must state for this one state. How do you get to the corresponding state? Strictly speaking, one is dependent on metaphors, on images. One transfers ideas from classical physics to quantum physics. And then comes statements like "on the one hand a photon shows particle properties, ... on the other hand it behaves like a wave" (see for example [ 12th ]). You assign properties to a single quantum system that are impossible in the context of classical physics and then pretend that you cannot assign a state to individual quantum systems (here photons) (the state formally describes the experiment, the situation under consideration , not a single photon!). Although in this way one obtains a state that adequately describes the possible results of the experiment. Which is astonishing in itself. The reason for these intellectual pull-ups can only be seen in the fact that it has so far not been possible to provide an adequate interpretation for quantum physics [ 14 ].

Um so erstaunlicher ist es, dass alternative Ansätze, die diese Schwierigkeiten vermeiden, von der großen Mehrheit der Physiker als nicht relevant angesehen werden. Doch woran liegt das? It is all the more astonishing that alternative approaches that avoid these difficulties are not considered relevant by the great majority of physicists. But why is that?

Der Physiker und Philosoph David Bohm ist zusammen mit dem Physiker F. David Peat in [15] dieser Frage ausführlich nachgegangen. Bohm geht davon aus, dass unsere verinnerlichten Überzeugungen unser Denken, unsere Wahrnehmung und unser Handeln einengen. Wenn wir uns dessen nicht bewusst sind, laufen wir Gefahr, unsere Vorstellungen von der Welt als gute Beschreibung der Realität anzusehen. In Wahrheit können wir jedoch immer nur die im Rahmen unserer Vorstellungen abstrahierten Aspekte der Realität in den beobachteten Phänomenen wider finden. Nicht die Realität selbst beschreiben. Wenn man sich dieser Vorgänge nicht bewusst ist, werden aus den Vorstellungen leicht Glaubenssätze, werden diese zu einem Paradigma. Unsere Glaubenssätze erscheinen uns dann als die Realität. Ein kreatives Arbeiten mit alternativen Vorstellungen ist dann nicht mehr möglich. Unsere Intuition ist blockiert.The physicist and philosopher David Bohm is together with the physicist F. David Peat in [ 15 ] investigated this question in detail. Bohm assumes that our internalized beliefs restrict our thinking, our perception and our actions. If we are not aware of this, we run the risk of seeing our ideas about the world as a good description of reality. In truth, however, we can only ever find the abstracted aspects of reality in the observed phenomena within the framework of our ideas. Don't describe reality itself. If one is not aware of these processes, the ideas easily become beliefs, they become a paradigm. Our beliefs then appear to us as reality. It is then no longer possible to work creatively with alternative ideas. Our intuition is blocked.

Wenn man davon ausgeht, dass diese Vorstellungen korrekt sind, so stellt sich die Frage, welche Glaubenssätze dafür verantwortlich sind, dass man sich im Rahmen der Quantenphysik so schwer tut, alternative Ansätze, wie beispielsweise die De-Broglie-Bohm-Theorie (Bohmsche-Mechanik) [14] zu diskutieren.If one assumes that these ideas are correct, the question arises as to which beliefs are responsible for making it so difficult for quantum physics, alternative approaches such as the De Broglie-Bohm theory (Bohmian theory). Mechanics) [ 14 ] to discuss.

Die große Mehrheit der Physiker hat die Vorstellung, dass die physikalische Welt (die Gesamtheit der Materie und der zwischen dieser möglichen Wechselwirkungen) kausal abgeschlossen ist, als Glaubenssatz verinnerlicht. Dieser wird nicht infrage gestellt. Indizien, die darauf hindeuten, dass dieses nicht sein kann, werden als nicht relevant angesehen und nicht weiter beachtet.The vast majority of physicists have internalized the idea that the physical world (the entirety of matter and the interactions between it) is causally closed as a belief. This is not questioned. Indications that indicate that this cannot be the case are considered irrelevant and are ignored.

Bohm hingegen geht davon aus, dass das was wir als physikalische Welt bezeichnen, lediglich der „entfaltete“ Teil einer „impliziten Ordnung“ ist [14]. Die Strukturen und Zusammenhänge innerhalb der physikalischen Welt scheinen im Rahmen der klassischen Physik kausal abgeschlossen zu sein, da für jede Wirkung eine Ursache innerhalb der physikalischen Welt angegeben werden kann. Im Rahmen der Quantenphysik ist dieses jedoch nicht mehr der Fall. Bereits 1935 haben Einstein, Podolsky und Rosen (EPR) als Erste darauf hingewiesen, dass Quantensysteme über beliebige Entfernungen augenblicklich aufeinander einwirken können und man im Rahmen der Quantenphysik für diese Wirkungen weder eine Ursache noch eine plausible Erklärung angeben kann [16]. Bohm betrachtet dieses als Indiz dafür, dass die physikalische Welt nicht kausal abgeschlossen sein kann.Bohm, on the other hand, assumes that what we call the physical world is only the "unfolded" part of an "implicit order" [ 14 ]. The structures and relationships within the physical world seem to be causally closed in the context of classical physics, since a cause can be given for each effect within the physical world. However, this is no longer the case in quantum physics. Already 1935 Einstein, Podolsky and Rosen (EPR) were the first to point out that quantum systems can interact with one another instantaneously over any distance and that in quantum physics neither a cause nor a plausible explanation can be given for these effects [ 16 ]. Bohm sees this as an indication that the physical world cannot be causally closed.

Bohm schlägt daher vor, zur Beschreibung, der in der physikalischen Welt beobachtbaren Phänomene, nicht länger die traditionelle mechanische Ordnung, sondern eine implizite Ordnung zugrunde zu legen (siehe [14], Seite 241):

  • „Unser Vorschlag, von der impliziten Ordnung als Grundlage auszugehen, besagt demnach, dass das, was primär, unabhängig existent und universell ist, vom Standpunkt der impliziten Ordnung aus ausgedrückt werden muss. Wir behaupten also, dass es die implizite Ordnung ist, die autonom wirkt, während die explizite Ordnung, wie zuvor dargelegt, aus einer Gesetzmäßigkeit der impliziten Ordnung resultiert, so dass sie sekundär, abgeleitet und nur in gewissen Zusammenhängen angebracht ist. Oder um es anders auszudrücken: Die Beziehungen, die das Grundgesetz bilden, bestehen zwischen eingefalteten Strukturen, die sich im Ganzen des Raums ineinander verweben und sich gegenseitig durchdringen, und nicht zwischen den abstrahierten und abgetrennten Formen, die sich den Sinnen (und auf unseren Instrumenten) manifestieren.“
Bohm therefore suggests that the description of the phenomena observable in the physical world no longer be based on the traditional mechanical order but on an implicit order (see [ 14 ], Page 241 ):
  • “Our suggestion to use the implicit order as a basis therefore says that what is primary, independently existent and universal must be expressed from the point of view of the implicit order. We therefore claim that it is the implicit order that acts autonomously, while the explicit order, as stated above, results from a lawfulness of the implicit order, so that it is secondary, derived and only appropriate in certain contexts. Or to put it another way: the relationships that make up the Basic Law exist between folded structures that interweave and interpenetrate each other in the whole of the room, and not between the abstracted and separated forms that are available to the senses (and on our instruments ) manifest. "

Unter einer expliziten Ordnung versteht Bohm Zusammenhänge, Strukturen, die sich in den beobachtbaren Phänomenen, insbesondere den energetischen Eigenschaften, der physikalischen Welt zeigen. Auch betrachtet Bohm die physikalische Welt an sich als entfalteter Teil der impliziten Ordnung. Bohms Vorstellung des „Einfaltens“ und „Entfaltens“ lässt sich am einfachsten anhand eines Beispiels verdeutlichen: Bohm geht davon aus, dass auch die „Bewegung“ eines „Teilchens“ im Raum diskontinuierlich erfolgt (ähnlich wie die energetischen Übergänge eines Elektrons in einem Atom aufgrund der diskreten Energiezustände nur diskontinuierlich erfolgen können). Die Bewegung eines Teilchens wird von Bohm als ständiges Ein- und Entfalten eines dem Teilchen zugeschriebenen Aspektes der impliziten Ordnung angesehen. Die dem Teilchen in der physikalischen Welt zugeschriebenen Eigenschaften, wie etwa Masse und Ladung, sind dann lediglich der entfaltete Teil der impliziten Ordnung. Bewegt sich das Teilchen, so verschwinden die dem Teilchen in der physikalischen Welt zugeschriebenen Eigenschaften (Einfalten) um an einem anderen Ort wieder aufzutauchen (Entfalten). Da dieses Ein- und Entfalten aufgrund der Größe des Plankschen Wirkungsquantums h extrem schnell vor sich geht, erscheinen diese Vorgänge als kontinuierliche Bewegung.Bohm defines an explicit order as relationships, structures that are evident in the observable phenomena, particularly the energetic properties, of the physical world. Bohm also regards the physical world as a developed part of the implicit order. Bohm's idea of “folding in” and “unfolding” is easiest to illustrate using an example: Bohm assumes that the “movement” of a “particle” in space takes place discontinuously (similar to the energetic transitions of an electron in an atom due to of the discrete energy states can only take place discontinuously). Bohm sees the movement of a particle as the constant unfolding and unfolding of an aspect of the implicit order ascribed to the particle. The properties attributed to the particle in the physical world, such as mass and charge, are then only the unfolded part of the implicit order. If the particle moves, the properties (folding) ascribed to the particle in the physical world disappear in order to reappear in another place (unfolding). Since this unfolding and unfolding is extremely fast due to the size of Plank's quantum of action h, these processes appear as a continuous movement.

Obwohl Bohm's Vorstellung einer impliziten Ordnung der De-Broglie-Bohm-Theorie zugrunde liegt, ist diese Vorstellung nicht Gegenstand der aktuellen Grundlagenforschung. Der wesentliche Grund hierfür kann wohl nur darin gesehen werden, dass es bisher nicht gelungen ist, experimentelle Hinweise zu finden, die die De-Broglie-Bohm-Theorie gegenüber alternativen Ansätzen, wie beispielsweise der Standard-Interpretation der Quantenphysik, auszeichnet. Although Bohm's idea of an implicit order underlies the De Broglie-Bohm theory, this idea is not the subject of current basic research. The main reason for this can probably only be seen in the fact that it has so far not been possible to find experimental indications that distinguish the De Broglie-Bohm theory from alternative approaches, such as the standard interpretation of quantum physics.

Um zweifelsfrei zeigen zu können, dass Bohm's Vorstellung einer impliziten Ordnung korrekt ist, müsste man somit ein Experiment finden, das es erlaubt, den Vorgang des Einfaltens und Entfaltens mittels klassisch zugänglicher Größen so zu kontrollieren, dass die nicht-lokale Natur der impliziten Ordnung eindeutig erkennbar wird. Ein Experiment, das dieses zeigen könnte, ist das in [1] erstmals vorgeschlagene und in [17] und [2] in einer vereinfachten Variante diskutierte Experiment zur Realisierung einer wechselwirkungsfreien Informationsübertragung. Eine erfolgreiche Realisierung wäre ein starkes Indiz dafür, dass die Vorstellung einer impliziten Ordnung korrekt ist und dass die physikalische Welt kausal nicht abgeschlossen sein kann.In order to be able to show beyond any doubt that Bohm's idea of an implicit order is correct, one would have to find an experiment that allows the process of folding in and unfolding to be controlled by means of classically accessible quantities in such a way that the non-local nature of the implicit order is clear becomes recognizable. An experiment that could show this is in [ 1 ] first proposed and in [ 17th ] and [ 2nd ] in a simplified variant discussed experiment for the realization of an interaction-free information transfer. A successful implementation would be a strong indication that the idea of an implicit order is correct and that the physical world cannot be completed causally.

Um das in [1] vorgeschlagene Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung adäquat beschreiben zu können, wurde in [1] ein neuer Interpretationsansatz für die Quantenphysik vorgestellt. Dieser wurde in [17] weiterweiterentwickelt und in [2] um eine adäquate Definition der Entropie für die dort betrachteten reinen Zustände erweitert. So wie Bohm, geht man auch in [1] davon aus, dass die physikalische Welt kausal nicht abgeschlossen sein kann. Es muss daher immaterielle Entitäten (werden in [1] als innere Eigenschaften bezeichnet) geben, die auf die physikalische Welt einwirken ohne Teil der physikalischen Welt zu sein. Welche Aspekte dieser inneren Eigenschaften in der physikalischen Welt wirksam werden können, hängt von der jeweiligen Situation (dem jeweils gewählten experimentellen Aufbau) ab. Die Wirkung der inneren Eigenschaften auf die physikalische Welt wird mittels des Zustands beschrieben, der den betrachteten Quantensystemen in der jeweiligen Situation zugeordnet werden kann. Die von Bohm vorgeschlagene implizite Ordnung ist vom Ansatz her wesentlich allgemeiner, da er davon ausgeht, dass die physikalische Welt an sich ein Aspekt der impliziten Ordnung ist. Hinsichtlich der grundsätzlichen Vorstellungen, als immaterielle Entität, sind die in [1] eingeführten inneren Eigenschaften somit bereits in dem Ansatz der impliziten Ordnung enthalten. Neu an dem in [1] vorgestellten Ansatz ist, dass dieser erstmals die Möglichkeit eröffnet, die von Bohm eingeführte Vorstellung des Ein- und Entfaltens der impliziten Ordnung experimentell überprüfen zu können. Wesentlich hierfür sind die in [1] erstmals eingeführten Begriffe „elementares“ Quantensystem und „energetisch repräsentiertes“ Quantensystem. Diese Begriffe beziehen sich auf den jeweils relevanten Aspekt der betrachteten Quantensysteme. Im räumlichen Freiheitsgrad sind die Quantensysteme durch die, diesen fest zugeordnete Energie energetisch repräsentiert. Bei „Teilchen“ mit einer Ruhemasse durch die dem Teilchen zugeordnete Ruhemasse und bei Photonen durch die den Photonen über das Planksche Wirkungsquantum und die Frequenz zugeordnete Energie. Bis auf kurze Momente, etwa wenn ein Quantensystem einen Strahlteiler passiert, haben Teilchen eine energetische Repräsentation im räumlichen Freiheitsgrad (werden durch diese faktisch definiert). Im Spin-Freiheitsgrad können die betrachteten Quantensysteme, wie in [1] ausführlich gezeigt wird, sowohl energetisch repräsentiert sein, aber auch als elementares Quantensystem vorliegen. Im feldfreien Raum liegen diese hinsichtlich des Spin-Freiheitsgrades als elementare Quantensysteme vor. Wird den Quantensystemen hingegen ein Magnetfeld überlagert, so führt dieser Vorgang zu einem energetisch repräsentierten Quantensystem im Spin-Freiheitsgrad. Die energetische Repräsentation ist dann durch die Wechselwirkungsenergie W = µ B gegeben, wobei mit µ das magnetische Moment und mit B das überlagerte Magnetfeld bezeichnet wird (siehe hierzu [1], Kapitel IV). In [1] werden exemplarisch Spin ½ - Systeme betrachtet. Überlagert man diesen beispielsweise ein Magnetfeld in z-Richtung so nimmt das Quantensystem im Spin-Freiheitsgrad, in Abhängigkeit davon, wie der Spin sich bezüglich der, durch das Magnetfeld Bz vorgegebenen Quantisierungsachse ausrichtet, entweder die Energie ΔEz = µBz auf oder gibt diese ab. Die Energie ΔEz ist somit ein eindeutiges Maß für die Ausrichtung des Spins bezüglich der Quantisierungsachse und kann daher als energetische Repräsentation des Spin-Freiheitsgrades angesehen werden. Befindet sich das Quantensystem im feldfreien Raum, so ist die Eigenschaft Spin eingefaltet. Überlagert man dem Quantensystem ein Magnetfeld, entfaltet sich die Eigenschaft Spin.To do that in [ 1 ] To be able to adequately describe proposed methods for the interaction-free transfer of information was described in [ 1 ] presented a new interpretation approach for quantum physics. This was in [ 17th ] further developed and in [ 2nd ] with an adequate definition of entropy for the pure states considered there. Like Bohm, you go into [ 1 ] assume that the physical world cannot be completed causally. Therefore, intangible entities (in [ 1 ] referred to as internal properties) that act on the physical world without being part of the physical world. Which aspects of these internal properties can be effective in the physical world depends on the respective situation (the experimental setup chosen in each case). The effect of the internal properties on the physical world is described by means of the state that can be assigned to the quantum systems under consideration in the respective situation. The implicit order proposed by Bohm is much more general in approach, since it assumes that the physical world is an aspect of the implicit order. With regard to the basic ideas, as an intangible entity, the in 1 ] internal properties already included in the implicit order approach. New at the in [ 1 ] approach is that for the first time this opens up the possibility to experimentally test the idea introduced by Bohm of the unfolding and unfolding of the implicit order. Essential for this are the [ 1 ] terms introduced for the first time "elementary" quantum system and "energetically represented" quantum system. These terms refer to the relevant aspect of the quantum systems under consideration. In terms of spatial freedom, the quantum systems are represented energetically by the energy that is permanently assigned to them. For "particles" with a rest mass through the rest mass assigned to the particle and with photons through the energy assigned to the photons via the Plank quantum of action and the frequency. Except for brief moments, for example when a quantum system passes a beam splitter, particles have an energetic representation in the spatial degree of freedom (they are actually defined by them). In the degree of spin freedom, the quantum systems under consideration, as in [ 1 ] is shown in detail, both be represented energetically, but also exist as an elementary quantum system. In field-free space, these exist as elementary quantum systems with regard to the degree of spin freedom. If, on the other hand, a magnetic field is superimposed on the quantum systems, this process leads to an energetically represented quantum system in the spin degree of freedom. The energetic representation is then given by the interaction energy W = µ B, with with µ the magnetic moment and with B the superimposed magnetic field is referred to (see [1], Chapter IV). Spin ½ systems are considered as examples in [1]. If, for example, a magnetic field is superimposed on it in the z direction, the quantum system takes in the degree of spin freedom, depending on how the spin relates to the magnetic field B z aligns the predetermined quantization axis, either the energy ΔE z = µB z or outputs it. The energy ΔE z is therefore a clear measure for the alignment of the spin with respect to the quantization axis and can therefore be regarded as an energetic representation of the spin degree of freedom. If the quantum system is in a field-free space, the spin property is folded. If a magnetic field is superimposed on the quantum system, the property spin develops.

Der Vorgang des Entfaltens und Einfaltens kann somit durch Ein- und Ausschalten eines Magnetfeldes, das dem Quantensystem überlagert werden kann, realisiert werden. Da Magnetfelder klassisch kontrollierbare Größen sind, bieten diese die Möglichkeit, den von Bohm postulierten Vorgang des Ein- und Entfaltens experimentell anhand des oben angesprochenen Experiments zur Realisierung einer wechselwirkungsfreien Informationsübertragung überprüfen zu können und hierdurch den Nachweis zu erbringen, dass der Ansatz einer impliziten Ordnung eine adäquate Beschreibung der beobachtbaren nicht-lokalen Phänomene liefert und somit diesen gegenüber anderen Ansätzen auszeichnet.The process of unfolding and folding can thus be realized by switching a magnetic field on and off, which can be superimposed on the quantum system. Since magnetic fields are classically controllable quantities, they offer the possibility to experimentally test the process of folding in and unfolding that Bohm postulates using the experiment mentioned above to implement an interaction-free transfer of information and thereby to provide evidence that the implicit order approach is one provides an adequate description of the observable non-local phenomena and thus distinguishes them from other approaches.

Betrachtet man das in [11] vorgeschlagene Verfahren zur wechselwirkungsfreien Quantenmessung, so ergibt sich folgender Sachverhalt (siehe hierzu auch ): Emittiert die Quelle Q ein Photon, so besitzt das Quantensystem genau eine energetische Repräsentation. Diese ist eindeutig dem Zustand zugeordnet. Passiert das Photon den Strahlteiler (ST1), so müssen dem Photon aufgrund des Superpositionsprinzips zwei Zustandsanteile zugeordnet werden. Die dem Photon zugeordnete Energie kann nun entweder auf dem Weg (2) oder auf dem Weg (3) zu dem Strahlteiler (ST2) gelangen. Nach dem Strahlteiler (ST1) sind somit grundsätzlich zwei energetische Repräsentationen möglich. Zum Einen kann die dem Photon zugeordnete Energie in dem Raumbereich lokalisiert sein, der dem reflektierten Zustandsanteil zugeordnet wird (Weg (3)). Zum Anderen kann die dem Photon zugeordnete Energie in dem Raumbereich lokalisiert sein, der dem transmittierten Zustandsanteil zugeordnet wird (Weg (2)). Wobei es prinzipiell unmöglich ist, zu entscheiden, welche Möglichkeit tatsächlich realisiert wurde. Sind die Wege (2) und (3) exakt gleich lang, so wird das Photon mit Sicherheit am Detektor (D1) nachgewiesen. Unabhängig davon, welche energetische Repräsentation realisiert wurde. If one considers the method for interaction-free quantum measurement proposed in [11], the following situation arises (see also ): Emits the source Q a photon, the quantum system has exactly one energetic representation. This is clearly assigned to the state. If the photon passes the beam splitter ( ST1 ), two components of the state must be assigned to the photon based on the principle of superposition. The energy assigned to the photon can now either on the way ( 2nd ) or on the way ( 3rd ) to the beam splitter ( ST2 ) reach. After the beam splitter ( ST1 ) two energetic representations are therefore possible in principle. On the one hand, the energy assigned to the photon can be located in the spatial area that is assigned to the reflected state component (path ( 3rd )). On the other hand, the energy assigned to the photon can be located in the spatial area that is assigned to the transmitted state component (path (2)). In principle, it is impossible to decide which option was actually implemented. Are the ways ( 2nd ) and ( 3rd ) of exactly the same length, the photon will certainly be on the detector ( D1 ) proven. Regardless of which energetic representation was realized.

Bringt nun Alice Ihren Absorber (AB) in den Strahlengang (blockiert den Weg (2)), so gibt es zwei Fälle: Im ersten Fall, wenn die dem Photon zugeordnete Energie in dem Raumbereich lokalisiert ist, der dem transmittierten Zustandsanteil zugeordnet ist, wird die Energie des Photons (und damit das Photon) vom Absorber absorbiert. Wie im klassischen Fall wird durch diesen Vorgang die von den beiden Detektoren in der Summe detektierte Anzahl an Photonen pro Zeit halbiert. Im zweiten Fall, wenn die dem Photon zugeordnete Energie in dem Raumbereich lokalisiert ist, der dem reflektierten Zustandsanteil zugeordnet ist, wird die Energie des Photons (und damit das Photon) in 50% der Fälle vom Detektor (D1) und in 50% der Fälle vom Detektor (D2) nachgewiesen. Immer dann, wenn der Detektor (D2) anspricht, kann man nun mit Sicherheit sagen, dass der Weg (2) blockiert ist. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass ein Energieaustausch zwischen dem Raumbereich von Alice und dem von Bob grundsätzlich möglich ist und tatsächlich in dem Fall, wenn beide Strahlengänge zur Verfügung stehen, in 50% der Fälle auch stattfindet. Ausführlich wird das in [11] vorgeschlagene Verfahren zur wechselwirkungsfreien Quantenmessung in [1] diskutiert.Now bring Alice your absorber ( FROM ) in the beam path (blocks the path (2)), there are two cases: In the first case, if the energy assigned to the photon is located in the spatial area that is assigned to the transmitted state component, the energy of the photon (and thus the photon) is absorbed by the absorber. As in the classic case, this process halves the total number of photons detected by the two detectors per time. In the second case, if the energy assigned to the photon is located in the spatial area that is assigned to the reflected state component, the energy of the photon (and thus the photon) is detected by the detector in 50% of the cases ( D1 ) and in 50% of the cases by the detector ( D2 ) proven. Whenever the detector ( D2 ), it can now be said with certainty that the path ( 2nd ) is blocked. The prerequisite for this, however, is that an energy exchange between the space area of Alice and that of Bob is fundamentally possible and actually takes place in 50% of the cases when both beam paths are available. This is explained in detail in [ 11 ] proposed methods for interaction-free quantum measurement in [ 1 ] discussed.

Im Rahmen der klassischen Physik ist eine Übertragung von Informationen nur dann möglich, wenn Energie vom Sender zum Empfänger übertragen wird. Unabhängig davon, wie die Information übermittelt wird. Ob man die Information auf ein Blatt Papier schreibt, dieses um einen Stein wickelt und den Stein dem Empfänger zuwirft, oder Licht zur Informationsübertragung heranzieht, es muss immer Energie vom Sender der Information zum Empfänger der Information übertragen werden. Da nach der speziellen Relativitätstheorie [18] die Lichtgeschwindigkeit c in allen Inertialsystemen denselben Wert hat und man Materie nur auf eine Geschwindigkeit v, mit v < c, beschleunigen kann, können im Rahmen der klassischen Physik Informationen somit nur mit maximal Lichtgeschwindigkeit übertragen werden.Within the framework of classical physics, information can only be transmitted if energy is transmitted from the transmitter to the receiver. Regardless of how the information is transmitted. Whether you write the information on a piece of paper, wrap it around a stone and throw the stone at the recipient, or use light to transmit information, energy must always be transferred from the sender of the information to the recipient of the information. According to the special theory of relativity [ 18th ] the speed of light c has the same value in all inertial systems and matter can only be accelerated to a velocity v, with v <c, information can thus only be transmitted within the framework of classical physics at the maximum speed of light.

Allerdings kann hieraus nicht geschlossen werden, dass eine Informationsübertragung prinzipiell nur mit maximal Lichtgeschwindigkeit möglich ist [19]. Dieses lässt sich einfach einsehen. Die spezielle Relativitätstheorie beruht auf zwei Postulaten: I.) Alle Naturgesetze sind kovariant bezüglich den Transformationen zwischen Inertialsystemen. II.) Die Lichtgeschwindigkeit c hat in allen Inertialsystemen denselben Wert. Aus dem Relativitätsprinzip (Postulat I) kann lediglich geschlossen werden, dass es eine, hinsichtlich der zulässigen Transformationen zwischen den Inertialsystemen, invariante Geschwindigkeit geben muss. Dass diese invariante Geschwindigkeit, in welchem Sinne auch immer, eine prinzipielle, obere Grenze für einen Informationstransfer darstellt, kann aus dem Relativitätsprinzip 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 [20].However, it cannot be concluded from this that information transmission is in principle only possible at the maximum speed of light [19]. This is easy to see. The special theory of relativity is based on two postulates: I. .) All natural laws are covariant with regard to the transformations between inertial systems. II .) The speed of light c has the same value in all inertial systems. From the principle of relativity (postulate I. ) it can only be concluded that there must be an invariant speed with regard to the permissible transformations between the inertial systems. It cannot be deduced from the principle of relativity that this invariant speed, in whatever sense, represents a fundamental upper limit for an information transfer. It is also not possible to derive the concrete value for this invariant speed from the relativity principle. First about postulate II this invariant speed becomes a concrete value - the speed of light c - assigned [ 20 ].

Aus der speziellen Relativitätstheorie kann somit lediglich abgeleitet werden, dass Informationen, die mittels eines Energietransfers übertragen werden, mit maximal Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können. Dass ein Informationstransfer prinzipiell nur mit maximal Lichtgeschwindigkeit möglich ist, kann aus der speziellen Relativitätstheorie jedoch nicht abgeleitet werden.From the special theory of relativity, it can only be derived that information that is transmitted by means of an energy transfer can be transmitted at the maximum speed of light. However, it cannot be deduced from the special theory of relativity that information transfer in principle is only possible at the maximum speed of light.

Die Quantenphysik unterscheidet sich von der klassischen Physik ganz grundsätzlich. Im Rahmen der klassischen Physik kann für jede Wirkung eine Ursache angegeben werden. Im Rahmen der Quantenphysik ist dieses jedoch nicht mehr der Fall. Bereits 1935 haben Einstein, Podolsky und Rosen (EPR) als Erste darauf hingewiesen, dass Quantensysteme über beliebige Entfernungen augenblicklich aufeinander einwirken können und man im Rahmen der Quantenphysik für diese Wirkungen weder eine Ursache noch eine plausible Erklärung angeben kann [16]. Diese im Rahmen der Quantenphysik auftretende Nicht-Lokalität widerspricht dem Lokalitätskonzept der klassischen Physik (Einstein-Lokalität) [21]. Die Quantenphysik kann somit nicht auf eine lokale Theorie im Sinne der Einstein-Lokalität zurückgeführt werden.Quantum physics differs fundamentally from classical physics. In classic physics, a cause can be given for each effect. However, this is no longer the case in quantum physics. As early as 1935, Einstein, Podolsky and Rosen (EPR) were the first to point out that quantum systems can interact with one another instantaneously over any distance, and that quantum physics can neither give a cause nor a plausible explanation for these effects [ 16 ]. This non-locality occurring in the context of quantum physics contradicts the locality concept of classical physics (Einstein locality) [ 21st ]. Quantum physics cannot therefore be traced back to a local theory in the sense of Einstein locality.

Seit (EPR) steht die Frage im Raum, ob ein augenblicklicher Informationstransfer im Rahmen der Quantenphysik möglich ist? Bekannt ist, dass eine einzelne EPR-Quelle, die beispielsweise simultan zwei im Polarisationsfreiheitsgrad verschränkte Photonen (Photon A und Photon B) erzeugt, nicht dazu verwendet werden kann, eine Nachricht zu übertragen. Dieses liegt an dem im Rahmen der Quantenphysik gültigen No-Signaling-Theorem. In der einfachsten Form besagt dieses Theorem, dass durch keine wie auch immer vom Sender (Alice) durchgeführte Messung an Photon A die statistische Verteilung der möglichen Messergebnisse an Photon B beim Empfänger (Bob) verändert werden kann. Auch konnte gezeigt werden, dass durch keine unitäre Zustandstransformation, deren Wirkung auf dem Alice zugänglichen Teilsystem beschränkt ist, die statistische Verteilung der möglichen Messergebnisse bei Bob verändert werden kann. Since (EPR) the question has arisen as to whether an instantaneous transfer of information is possible within the framework of quantum physics? It is known that a single EPR source which, for example, simultaneously has two photons entangled in the degree of freedom of polarization (photon A and photon B ) can not be used to transmit a message. This is due to the no-signaling theorem valid in quantum physics. In its simplest form, this theorem states that no measurement on Photon, however carried out by the transmitter (Alice), is carried out A the statistical distribution of the possible measurement results to Photon B can be changed at the receiver (bob). It could also be shown that the statistical distribution of the possible measurement results in Bob can not be changed by any unitary state transformation, the effect of which is limited on the subsystem accessible to Alice.

Hieraus kann jedoch nicht geschlossen werden, dass aufgrund des No-Signaling-Theorems eine Übertragung von Informationen mittels verschränkter Quantensysteme prinzipiell unmöglich ist, denn das Theorem erfasst nicht alle denkbaren Fälle. Es berücksichtigt nicht, dass es physikalisch realisierbare unitäre Zustandstransformationen gibt, deren Wirkung nicht auf dem Alice zugänglichen Teilsystem beschränkt ist, obwohl die physikalischen Eingriffe ausschließlich an dem Alice zugänglichen Teilsystem vorgenommen werden.However, it cannot be concluded from this that the no-signaling theorem makes it impossible in principle to transmit information using entangled quantum systems because the theorem does not cover all conceivable cases. It does not take into account the fact that there are physically realizable unitary state transformations, the effect of which is not limited to the subsystem accessible to Alice, although the physical interventions are carried out exclusively on the subsystem accessible to Alice.

Im Folgenden werden die nachfolgend genannten Definitionen verwendet:

  • Symmetrisches Phasengitter: Unter einem Symmetrischen Phasengitter (SPG) wird eine Anordnung verstanden, welche wie ein Phasengitter, vorzugsweise ein verlustfreies Phasengitter, wirkt und bei dem parallel zur Gitternormalen einfallendes Licht der Wellenlänge A zu 50% in die N-te Beugungsordnung und 50% in die (- N)-te Beugungsordnung gebeugt wird (N = 1, 2, 3, ...).
The following definitions are used below:
  • Symmetrical phase grating: A symmetrical phase grating (SPG) is understood to mean an arrangement which acts like a phase grating, preferably a loss-free phase grating, and with the light of the wavelength incident parallel to the grating normal A 50% is diffracted into the Nth diffraction order and 50% into the (- N) th diffraction order (N = 1, 2, 3, ...).

Dieses kann im einfachsten Fall ein ebenes Reflexionsgitter mit einem (periodischen) Sägezahn-ähnlichen Profil mit der Periodenlänge G sein, welches so ausgebildet wird, dass beide Schenkel (BLF0) und (BLF1) des Sägezahn-ähnlichen Profils als Blaze-Flächen wirken und der Blazewinkel α für beide Schenkel gleich groß gewählt wird, vorzugsweise zu 30° gewählt wird. Der eingeschlossene Winkel zwischen den beiden Schenkeln des Sägezahn-ähnlichen Profils (den beiden Blaze-Flächen) beträgt dann 120° (siehe hierzu ). Liegt das ebene Reflexionsgitter beispielsweise in der XY-Ebene und zeigt die Gitternormale in die Z-Richtung und sind die Blaze-Flächen (BLF0) und (BLF1) parallel zur Y-Achse orientiert, so wiederholt sich das Sägezahn-ähnliche Profil des Reflexionsgitters mit der Periodenlänge G (Gitterkonstante) in X-Richtung. Paralleles Licht mit der Wellenlänge A das in der (-Z)-Richtung auf das Reflexionsgitter in der Impulsmode (-AL) trifft, wird dann zu 50% unter einem Winkel β von 30° zur X-Achse in die Richtung der Impulsmode (-A0) gebeugt und zu 50% unter einem Winkel β von 30° zur X-Achse in die Richtung der Impulsmode (-A1) gebeugt, sofern die Wellenlänge λ gemäß cos ( β ) G = λ

Figure DE102019008600A1_0026
auf die Gitterkonstante G abgestimmt wird. Mit N = 1, 2, 3,.... und vorzugsweise a = β = 30 °. Wobei der eingeschlossene Winkel zwischen den Impulsmoden (-A0) und (-A1) 120° beträgt und die Impulsmoden parallel zur XZ-Ebene orientiert sind.In the simplest case, this can be a flat reflection grating with a (periodic) sawtooth-like profile with the period length G, which is designed such that both legs ( BLF0 ) and ( BLF1 ) of the sawtooth-like profile act as blaze surfaces and the blaze angle α is chosen to be the same size for both legs, preferably 30 °. The included angle between the two legs of the sawtooth-like profile (the two blaze surfaces) is then 120 ° (see here ). For example, if the flat reflection grating lies in the XY plane and points the grating normal in the Z direction and the blaze surfaces ( BLF0 ) and ( BLF1 ) oriented parallel to the Y axis, the sawtooth-like profile of the reflection grating is repeated with the period length G (Lattice constant) in the X direction. Parallel light with the wavelength A that strikes the reflection grating in the pulse mode (-AL) in the (-Z) direction is then bent 50% at an angle β of 30 ° to the X axis in the direction of the pulse mode (-A0) and 50 % at an angle β of 30 ° to the X axis in the direction of the pulse mode (-A1), provided the wavelength λ is in accordance with cos ( β ) G = N λ
Figure DE102019008600A1_0026
to the lattice constant G is voted. With N = 1, 2, 3, .... and preferably a = β = 30 °. The included angle between the pulse modes (-A0) and (-A1) is 120 ° and the pulse modes are oriented parallel to the XZ plane.

Erfindungsgemäß wird das Symmetrische Phasengitter (SPG) invers betrieben. Das heißt, ein Photon (P1) in der Impulsmode (A1) und ein Photon (P2) in der Impulsmode (A0) treffen gleichzeitig auf das Symmetrische Phasengitter (SPG) und werden an diesem in die Impulsmode (AL) gebeugt. Im Folgenden wird somit angenommen, dass die Phasenlage der in der Impulsmode (A0) und (A1) einlaufenden Wellenpakete (Photonen) in dem verwendeten Aufbau so aufeinander abgestimmt werden, dass beide nach der Beugung am symmetrischen Phasengitter (SPG) in der Impulsmode (AL) vorliegen.According to the invention, the symmetrical phase grating (SPG) is operated inversely. That is, a photon ( P1 ) in pulse mode ( A1 ) and a photon ( P2 ) in pulse mode ( A0 ) meet the symmetrical phase grating ( SPG ) and are on this in the impulse mode ( AL ) bent. In the following it is assumed that the phase position of the pulse mode ( A0 ) and ( A1 ) incoming wave packets (photons) are matched to each other in the structure used so that both after diffraction at the symmetrical phase grating ( SPG ) in pulse mode ( AL ) are available.

Primärer Freiheitsgrad/Sekundärer Freiheitsgrad: Der Impulsfreiheitsgrad wird als primärer Freiheitsgrad bezeichnet und alle anderen Freiheitsgrade, wie beispielsweise der energetische Freiheitsgrad oder der Polarisationsfreiheitsgrad werden als sekundäre Freiheitsgrade bezeichnet.Primary degree of freedom / Secondary degree of freedom: The pulse degree of freedom is referred to as the primary degree of freedom and all other degrees of freedom, such as the energetic degree of freedom or the degree of polarization are referred to as the secondary degrees of freedom.

Messung der Ersten Art (MT0): Eine Messung an den Photonen (P1) und (P2) wird genau dann als Messung der Ersten Art (MT0) bezeichnet, wenn diese so durchgeführt wird, dass es nach der Messung prinzipiell unmöglich ist, zu entscheiden von welcher Quelle die Photonen (P1) und (P2) emittiert wurden.First Type Measurement ( MT0 ): A measurement on the photons ( P1 ) and ( P2 ) is then used as a measurement of the first kind ( MT0 ) if this is carried out in such a way that it is in principle impossible to decide from which source the photons ( P1 ) and ( P2 ) were emitted.

Messung der Zweiten Art (MT1): Eine Messung an den Photonen (P1) und (P2) wird genau dann als Messung der Zweiten Art (MT1) bezeichnet, wenn die Information, von welcher Quelle die Photonen (P1) und (P2) emittiert wurden nach der Messung erhalten bleibt.Measurement of the second type ( MT1 ): A measurement on the photons ( P1 ) and ( P2 ) is then used as a measurement of the second type ( MT1 ) denotes if the information from which source the photons ( P1 ) and ( P2 ) were emitted after the measurement is retained.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung verschränkte Photonen heranzuziehen (siehe hierzu und ). Hierzu werden zwei identische Quellen (Q1) und (Q2) verwendet, die gleichzeitig je ein Photonenpaar erzeugen. Eine Quelle (Q1) soll gleichzeitig zwei in mindestens einem sekundären Freiheitsgrad verschränkte Photonen (P1) und (P3) erzeugen und eine Quelle (Q2) gleichzeitig zwei in mindestens einem sekundären Freiheitsgrad verschränkte Photonen (P2) und (P4) erzeugen. Die Photonen (P1) bis (P4) werden durch die Indizes 1 bis 4 durchnummeriert. Sekundäre Freiheitsgrade sind somit zum Beispiel der Polarisationsfreiheitsgrad oder der energetische Freiheitsgrad. Zwei Photonen können im energetischen Freiheitsgrad beispielsweise dadurch verschränkt werden, dass eine Quelle simultan zwei Photonen (je ein Photon in einer Impulsmode, wobei die Impulsmoden unterscheidbar sein sollen) erzeugt, die eine unterschiedliche Wellenlänge haben. Ein Photon mit der Wellenlänge λG und ein Photon mit der Wellenlänge λR . Wenn es prinzipiell nicht entscheidbar ist, in welcher Impulsmode die einzelnen Photonen emittiert werden, sind die beiden Photonen im energetischen Freiheitsgrad verschränkt. Der Sender der Information (Alice) führt zur Übertragung einer binär kodierten Information eine Messung der ersten Art (MT0) mittels eines Symmetrischen Phasengitters (SPG) an den Photonen (P1) und (P2) durch, wodurch das aus den Photonen (P3) und (P4) bestehende Quantensystem in einen Zustand der ersten Art (Z1) überführt wird. Dieser kodiert dann den ersten logischen Zustand, vorzugsweise die logische 0. Führt Alice eine Messung der zweiten Art (MT1) an den Photonen (P1) und (P2) durch, wird das aus den Photonen (P3) und (P4) bestehende Quantensystem in einen Zustand der zweiten Art (Z2) überführt und hierdurch der zweite logische Zustand, vorzugsweise die logische 1, kodiert. Die Zustände der ersten Art (Z1) und der zweiten Art (Z2) können sowohl reine als auch gemischte Zustände sein. Müssen jedoch messtechnisch unterscheidbar sein. Dabei wird die Messung der Zweiten Art (MT1) so durchgeführt, dass die Information, von welcher Quelle die Photonen (P1) und (P2) emittiert wurden nach der Messung erhalten bleibt und die Messung der Ersten Art (MT0) so durchgeführt, dass es nach der Messung prinzipiell unmöglich ist, zu entscheiden von welcher Quelle die Photonen (P1) und (P2) emittiert wurden. Der Empfänger der Information (Bob) kann dann den Zustand der Photonen (P3) und (P4) im Hinblick auf die Eigenschaft Zustand der ersten Art (Z1) und Zustand der zweiten Art (Z2) mittels eines symmetrischen Strahlteilers (STB), analysieren und hieraus den aktuell übertragenen logischen Zustand zum Zwecke einer wechselwirkungsfreien Informationsübertragung erkennen. Somit kann dann Bit für Bit eine Nachricht übertragen werden. According to the invention, it is proposed to use entangled photons for the interaction-free transfer of information (see here and ). For this, two identical sources ( Q1 ) and ( Q2 ) used, which simultaneously generate a pair of photons. A source ( Q1 ) two photons entangled in at least one secondary degree of freedom ( P1 ) and ( P3 ) generate and a source ( Q2 ) at the same time two photons entangled in at least one secondary degree of freedom ( P2 ) and (P4). The photons ( P1 ) to ( P4 ) are indicated by the indices 1 to 4th numbered consecutively. Secondary degrees of freedom are thus, for example, the degree of polarization or the degree of freedom in terms of energy. Two photons can be entangled in terms of their degree of energy freedom, for example, in that a source simultaneously generates two photons (one photon each in a pulse mode, the pulse modes should be distinguishable), which have a different wavelength. A photon with the wavelength λ G and a photon with the wavelength λ R . If it is not possible in principle to determine in which pulse mode the individual photons are emitted, the two photons are entangled in terms of their degree of energy freedom. The sender of the information (Alice) carries out a measurement of the first type (binary-coded information) ( MT0 ) using a symmetrical phase grating ( SPG ) at the photons ( P1 ) and ( P2 ) through which the photons ( P3 ) and ( P4 ) existing quantum system in a state of the first kind ( Z1 ) is transferred. This then encodes the first logical state, preferably the logical 0. Does Alice carry out a measurement of the second type ( MT1 ) at the photons ( P1 ) and ( P2 ), the photons ( P3 ) and ( P4 ) existing quantum system into a state of the second kind ( Z2 ) transferred and thereby the second logical state, preferably the logical one 1 , encoded. The states of the first kind ( Z1 ) and the second type ( Z2 ) can be both pure and mixed states. However, they must be distinguishable in terms of measurement technology. The measurement of the second type ( MT1 ) so that the information from which source the photons ( P1 ) and ( P2 ) after the measurement is retained and the measurement of the first type ( MT0 ) carried out in such a way that it is in principle impossible to decide from which source the photons ( P1 ) and ( P2 ) were emitted. The recipient of the information (Bob) can then determine the state of the photons ( P3 ) and ( P4 ) with regard to the property state of the first kind ( Z1 ) and condition of the second type ( Z2 ) using a symmetrical beam splitter (STB), analyze and recognize the currently transmitted logical state for the purpose of interaction-free information transmission. A message can then be transmitted bit by bit.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als sekundärer Freiheitsgrad der Polarisationsfreiheitgrad und/oder der energetische Freiheitsgrad verwendet wird.An advantageous embodiment of the invention provides that the degree of polarization freedom and / or the energetic degree of freedom is used as the secondary degree of freedom.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass zur Zustandsanalyse der Photonen (P3) und (P4) ein Strahlteiler, vorzugsweise ein symmetrischer Strahlteiler (STB), verwendet wird und/oder zur Realisierung der Messung der Ersten Art (MT0), an den Photonen (P1) und (P2), als Symmetrisches Phasengitter (SPG) ein ebenes, symmetrisches Reflexionsgitter, verwendet wird.A further embodiment provides that for the state analysis of the photons ( P3 ) and ( P4 ) a beam splitter, preferably a symmetrical beam splitter (STB), is used and / or to implement the measurement of the first type ( MT0 ), at the photons ( P1 ) and ( P2 ), as a symmetrical phase grating ( SPG ) a flat, symmetrical reflection grating is used.

Vorteilhafterweise werden zur Realisierung der Messungen (MT0) und/oder (MT1) polarisierende Strahlteiler (wenn die Photonen im Polarisationsfreiheitsgrad verschränkt sind) und/oder dichroitische Strahlteiler (wenn die Photonen im energetischen Freiheitsgrad verschränkt sind) verwendet. Unter einem dichroitischen Strahlteiler wird ein Strahlteiler bezeichnet, der eine der beiden Wellenlängen λG , λR reflektiert und die andere transmittiert. Zum Beispiel λG reflektiert und λR transmittiert. Advantageously, to implement the measurements ( MT0 ) and or ( MT1 ) polarizing beam splitters (if the photons are entangled in the degree of polarization freedom) and / or dichroic beam splitters (if the photons are entangled in the degree of energy freedom). A dichroic beam splitter refers to a beam splitter that is one of the two wavelengths λ G , λ R reflected and the other transmitted. For example, λ G reflects and λ R transmitted.

Wie im Zusammenhang mit und für identische Quantensysteme gezeigt wurde, muss zwischen den Bezeichnungen „identisch“ und „ununterscheidbar“ streng unterschieden werden. Die Aussage zwei Quantensysteme sind identisch, bezieht sich auf die den Quantensystemen an sich zugeordneten Eigenschaften wie etwa die Energie. Die Aussage zwei Quantensysteme sind unterscheidbar, bezieht sich auf die gezielte wiederholbare Manipulierbarkeit einzelner Quantensysteme. Diese ist immer dann sichergestellt, wenn den einzelnen Quantensysteme klar abgegrenzte Raumbereiche so zugeordnet werden können, dass diese nicht überlappen. Zwei identische Quantensysteme sind somit genau dann ununterscheidbar, wenn die diesen zugeordneten Raumbereiche identisch sind (perfekt übereinander liegen). Für zwei identische, ununterscheidbare Photonen muss somit der dem Gesamtsystem zugeordnete Zustand symmetrisch sein (eine Vertauschung der, die beiden Teilsysteme bezeichnenden, Indizes ändert den Zustand nicht).As related to and was shown for identical quantum systems, a strict distinction must be made between the terms "identical" and "indistinguishable". The statement two quantum systems are identical, refers to the properties assigned to the quantum systems, such as energy. The statement two quantum systems can be distinguished, refers to the targeted, repeatable manipulation of individual quantum systems. This is always ensured when clearly defined spatial areas can be assigned to the individual quantum systems so that they do not overlap. Two identical quantum systems are therefore indistinguishable if and only if the spatial areas assigned to them are identical (perfectly overlapping). For two identical, indistinguishable photons, the state assigned to the overall system must therefore be symmetrical (swapping the indices that characterize the two subsystems does not change the state).

In dem oben diskutierten Beispiel, wenn zwei identische, unterscheidbare Photonen zeitgleich auf den symmetrischen Strahlteiler (ST) treffen, wird der einlaufende Zustand Ψ1 am Strahlteiler (ST) aufgrund der klassischen Strahlteilereigenschaft (beschrieben durch den unitären Operator UST ) in den Zustand Ψ2 überführt. Der Zustand Ψ2 kann jedoch nicht als auslaufender Zustand angesehen werden, da die beiden Photonen nach dem Strahlteiler als ununterscheidbar angesehen werden müssen. Nach dem Spin-Statistik-Theorem muss der auslaufende Zustand in diesem Fall (Fall III in dem Beispiel oben) symmetrisch sein. Folglich muss der Zustand Ψ2 noch symmetrisiert werden um den am Strahlteiler auslaufenden Zustand (BΨ3) zu erhalten.In the example discussed above, if two identical, distinguishable photons are simultaneously on the symmetrical beam splitter ( ST ) meet, the incoming state Ψ 1 at the beam splitter ( ST ) due to the classic beam splitter property (described by the unitary operator U ST ) in the state Ψ 2 transferred. The state Ψ 2 cannot, however, be regarded as an expiring state, since the two photons after the beam splitter must be regarded as indistinguishable. According to the spin statistics theorem in this case, the expiring state (case III in the example above) must be symmetrical. Hence the condition Ψ 2 are still symmetrized to maintain the state at the beam splitter ( B Ψ 3 ).

Das Spin-Statistik-Theorem betrifft jedoch nicht nur identische Quantensysteme. Das Spin-Statistik-Theorem betrifft ganz allgemein ununterscheidbare Quantensysteme „der gleichen Sorte“. Wobei mit „der gleichen Sorte“ die Unterteilung in Bosonen und Fermionen gemeint ist. Nicht jedoch eine Unterteilung im Hinblick auf die Energie oder den Polarisationszustand der beteiligten Quantensysteme.The spin statistics theorem, however, does not only concern identical quantum systems. The spin statistics theorem relates generally to indistinguishable quantum systems of "the same kind". Whereby “the same variety” means the division into bosons and fermions. But not a subdivision with regard to the energy or the polarization state of the quantum systems involved.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Anwendungsbeispiels näher erläutert (siehe hierzu ). Zwei identisch aufgebauten Quellen (Q1) und (Q2) sollen zu frei wählbaren Zeitpunkten gleichzeitig je ein, im Polarisationsfreiheitsgrad verschränktes, Photonenpaar im symmetrischen Bell-Zustand Ψ+ emittieren. Die Photonen sollen linear polarisiert sein. Die beiden möglichen Polarisationsrichtungen werden mit „H“ für eine horizontale Polarisation (Polarisation liegt in der Strahlenebene) und mit „V“ für eine vertikale Polarisation (Polarisation steht senkrecht zur Strahlenebene) bezeichnet. Details zur Realisierung entsprechender Quellen findet man in [22]. Die Quelle (Q1) soll die Photonen (P1) und (P3) und die Quelle (Q2) die Photonen (P2) und (P4) erzeugen. Alle vier Photonen sollen im energetischen Freiheitsgrad identisch sein. Das Photon (P1) soll über den Spiegel (SP1) in der Impulsmode „A1“ zum Punkt (PA) auf ein verlustfreies, Symmetrisches Phasengitter (SPG) gelangen und das Photon (P2) soll über den Spiegels (SP2) in der Impulsmode „A0“ zum Punkt (PA) auf das Symmetrische Phasengitter (SPG) gelangen. Am Symmetrischen Phasengitter (SPG) werden die Photonen (P1) und (P2) in die Mode (AL) gebeugt. Ein Photon in der Impulsmode (AL) trifft dann auf den polarisierenden Strahlteiler (PTSPG). Der polarisierende Strahlteiler (PTSPG) ist so angeordnet, dass ein in der Impulsmode (AL) eintreffendes Photon mit horizontaler Polarisation diesen transmittiert und von dem Detektor (DSPGH) nachgewiesen wird und ein in der Impulsmode (AL) eintreffendes Photon mit vertikaler Polarisation an diesem reflektiert und von dem Detektor (DSPGV) nachgewiesen wird. Das Symmetrische Phasengitter (SPG) bildet zusammen mit dem polarisierenden Strahlteiler (PTSPG) und den Detektoren (DSPGH) und (DSPGV) den Detektor (DSPG), der eine Messung der Ersten Art (MT0) ermöglicht.The invention is explained in more detail below with the aid of an application example (see here ). Two identically structured sources ( Q1 ) and ( Q2 ) are to emit a pair of photons in the symmetrical Bell state Ψ +, which is entangled in the degree of polarization freedom, at freely selectable times. The photons should be linearly polarized. The two possible directions of polarization are designated with "H" for horizontal polarization (polarization lies in the beam plane) and with "V" for vertical polarization (polarization is perpendicular to the beam plane). Details on the implementation of corresponding sources can be found in [ 22 ]. The source ( Q1 ) the photons ( P1 ) and ( P3 ) and the source ( Q2 ) the photons ( P2 ) and ( P4 ) produce. All four photons are said to be identical in terms of energetic freedom. The photon ( P1 ) is said about the mirror ( SP1 ) in pulse mode " A1 “To the point ( PA ) on a lossless, symmetrical phase grating ( SPG ) and the photon ( P2 ) is said to be above the mirror ( SP2 ) in pulse mode " A0 “To the point ( PA ) on the symmetrical phase grating ( SPG ) reach. At the symmetrical phase grating ( SPG ) the photons ( P1 ) and ( P2 ) into fashion ( AL ) bent. A photon in pulse mode ( AL ) then hits the polarizing beam splitter (PTSPG). The polarizing beam splitter ( PTSPG ) is arranged so that a pulse mode ( AL ) incoming photon with horizontal polarization transmits it and from the detector ( DSPGH ) is detected and in the impulse mode ( AL ) incoming photon with vertical polarization is reflected on it and from the detector ( DSPGV ) is proven. The symmetrical phase grating ( SPG ) forms together with the polarizing beam splitter ( PTSPG ) and the detectors ( DSPGH ) and ( DSPGV ) the detector ( DSPG ) which is a measurement of the first kind ( MT0 ) enables.

Das Photon (P3) soll über den Spiegel (SP3) in der Impulsmode „B1“ zum Punkt (PB) auf einem symmetrischen, verlustfreien Strahlteiler (STB) gelangen und das Photon (P4) soll über den Spiegel (SP4) in der Impulsmode „B0“ zum Punkt (PB) auf dem symmetrischen Strahlteiler (STB) gelangen. Den von den Quellen emittierten Photonenpaare können dann, nachdem die vier Photonen die Spiegel (SP1) bis (SP4) passiert haben die Zuständen Ψ Q1 = 1 / 2 1 / 2 | B1 > 3 | A1 > 1 ( | H > 3 | V > 1 + | V > 3 | H > 1 )

Figure DE102019008600A1_0027
Ψ Q2 = 1 / 2 1 / 2 | B0 > 4 | A0 > 2 ( | H > 4 | V > 2 + | V > 4 | H > 2 )
Figure DE102019008600A1_0028
zugeordnet werden. Für das aus den vier Photonen bestehende Gesamtsystem ergibt sich somit der Zustand Ψ Q 1 / 2 = 1 / 4 1 / 2 | B 0 > 4 | B 1 > 3 | A 0 > 2 | A1 > 1   ( | H > 3 | V > 1 + | V > 3 | H > 1 ) ( | H > 4 | V > 2 + | V > 4 | H > 2 )
Figure DE102019008600A1_0029
da die beiden Photonenpaare unabhängig voneinander erzeugt wurden.The photon ( P3 ) is said about the mirror ( SP3 ) in pulse mode " B1 “To the point ( PB ) on a symmetrical, lossless beam splitter ( STB ) and the photon ( P4 ) is said about the mirror ( SP4 ) in pulse mode " B0 “To the point ( PB ) on the symmetrical beam splitter ( STB ) reach. The photon pairs emitted by the sources can then after the four photons the mirrors ( SP1 ) to ( SP4 ) the states have happened Ψ Q1 = 1 / 2nd 1 / 2nd | B1 > 3rd | A1 > 1 ( | H > 3rd | V > 1 + | V > 3rd | H > 1 )
Figure DE102019008600A1_0027
Ψ Q2 = 1 / 2nd 1 / 2nd | B0 > 4th | A0 > 2nd ( | H > 4th | V > 2nd + | V > 4th | H > 2nd )
Figure DE102019008600A1_0028
be assigned. This results in the state of the overall system consisting of the four photons Ψ Q 1 / 2nd = 1 / 4th 1 / 2nd | B 0 > 4th | B 1 > 3rd | A 0 > 2nd | A1 > 1 ( | H > 3rd | V > 1 + | V > 3rd | H > 1 ) ( | H > 4th | V > 2nd + | V > 4th | H > 2nd )
Figure DE102019008600A1_0029
because the two pairs of photons were generated independently.

Wird das Symmetrische Phasengitter (SPG) aus dem Strahlengang entfernt, so kann ein Photon in der Impulsmode (A1) nun den polarisierenden Strahlteiler (PTA2) erreichen. Der polarisierende Strahlteiler (PTA2) ist so angeordnet, dass ein in der Impulsmode (A1) eintreffendes Photon mit horizontaler Polarisation diesen transmittiert und von dem Detektor (DA2H) nachgewiesen wird und ein in der Impulsmode (A1) eintreffendes Photon mit vertikaler Polarisation an diesem reflektiert und von dem Detektor (DA4V) nachgewiesen wird. Ein Photon in der Impulsmode (A0) kann bei entferntem symmetrischen Phasengitter (SPG) nun den polarisierenden Strahlteiler (PTA1) erreichen. Der polarisierende Strahlteiler (PTA1) ist so angeordnet, dass ein in der Impulsmode (A0) eintreffendes Photon mit horizontaler Polarisation diesen transmittiert und von dem Detektor (DA1H) nachgewiesen wird und ein in der Impulsmode (A0) eintreffendes Photon mit vertikaler Polarisation an diesem reflektiert und von dem Detektor (DA3V) nachgewiesen wird. Der Abstand der Quelle (Q1) zum Punkt (PA) und der Abstand der Quelle (Q2) zum Punkt (PA) soll gleich groß sein, so dass die Photonen (P1) und (P2) gleichzeitig am Punkt (PA) eintreffen. Weiter soll der Abstand der Quelle (Q1) zum Punkt (PB) und der Abstand der Quelle (Q2) zum Punkt (PB) gleich groß sein, so dass die Photonen (P3) und (P4) gleichzeitig am Punkt (PB) eintreffen. Der Abstand der Quellen (Q1) und (Q2) zu dem Punkt (PB) soll dabei größer sein als der Abstand der Quellen (Q1) und (Q2) zu den Detektoren (DA1H), (DA2H), (DA3V), DA4V) und (DSPG). Photonen die sich nach dem symmetrischen Strahlteiler (STB) in der Impulsmode (B1) befinden können mittels des Detektors (DB2) nachgewiesen werden. Photonen die sich nach dem symmetrischen Strahlteiler in der Impulsmode (B0) befinden können mittels des Detektors (DB1) nachgewiesen werden.If the symmetrical phase grating ( SPG ) from the beam path, a photon in the pulse mode ( A1 ) now the polarizing beam splitter ( PTA2 ) to reach. The polarizing beam splitter ( PTA2 ) is arranged so that a pulse mode ( A1 ) incoming photon with horizontal polarization transmits it and from the detector ( DA2H ) is detected and in the impulse mode ( A1 ) incoming photon with vertical polarization is reflected on it and from the detector ( DA4V ) is proven. A photon in pulse mode ( A0 ) with the symmetrical phase grating removed ( SPG ) now the polarizing beam splitter ( PTA1 ) to reach. The polarizing beam splitter ( PTA1 ) is arranged so that a pulse mode ( A0 ) incoming photon with horizontal polarization transmits it and from the detector ( DA1H ) is detected and in the impulse mode ( A0 ) incoming photon with vertical polarization is reflected on it and from the detector ( DA3V ) is proven. The distance of the source ( Q1 ) to the point ( PA ) and the distance of the source ( Q2 ) to the point ( PA ) should be the same size so that the photons ( P1 ) and ( P2 ) at the same time at the point ( PA ) arrive. The distance of the source ( Q1 ) to the point ( PB ) and the distance of the source ( Q2 ) to the point ( PB ) have the same size so that the photons ( P3 ) and ( P4 ) at the same time at the point ( PB ) arrive. The distance of the sources ( Q1 ) and ( Q2 ) to the point ( PB ) should be larger than the distance between the sources ( Q1 ) and ( Q2 ) to the detectors ( DA1H ), ( DA2H ), ( DA3V ), DA4V ) and ( DSPG ). Photons that follow the symmetrical beam splitter ( STB ) in pulse mode ( B1 ) can be located using the detector ( DB2 ) be detected. Photons that follow the symmetrical beam splitter in the pulse mode ( B0 ) can be located using the detector ( DB1 ) be detected.

Mittels Ihrer Anordnung hat Alice nun zwei Möglichkeiten eine Messung durchzuführen. 1.) Das Symmetrische Phasengitter (SPG) ist wie beschrieben im Strahlengang: Messung „MT0“. 2.) Alice entfernt (SPG) aus dem Strahlengang: Messung „MT1“.Using your arrangement, Alice now has two options for taking a measurement. 1 .) The symmetrical phase grating ( SPG ) is in the beam path as described: measurement "MT0". 2nd .) Alice removed ( SPG ) from the beam path: measurement "MT1".

Führt Alice an den Photonen (P1) und (P2) die Messung MT1 durch (Symmetrisches Phasengitter (SPG) wird aus dem Strahlengang entfernt), so können die Photonen (P1) und (P2) mittels der Detektoren (DA1H), (DA2H), (DA3V) und (DA4V) analysiert werden. Es sind dann vier Ergebnisse möglich:

  1. A): Die Detektoren (DA3V) und (DA4V) detektieren je ein Photon. Alice weiß in diesem Fall, dass das Photon (P3) und das Photon (P4) horizontal polarisiert ist.
  2. B): Die Detektoren (DA1H) und (DA2H) detektieren je ein Photon. Alice weiß in diesem Fall, dass das Photon (P3) und das Photon (P4) vertikal polarisiert ist.
  3. C): Die Detektoren (DA1H) und (DA4V) detektieren je ein Photon. Alice weiß in diesem Fall, dass das Photon (P4) vertikal polarisiert ist und das Photon (P3) horizontal polarisiert ist.
  4. D): Die Detektoren (DA3V) und (DA2H) detektieren je ein Photon. Alice weiß in diesem Fall, dass das Photon (P4) horizontal polarisiert ist und das Photon (P3) vertikal polarisiert ist.
Guide Alice to the photons ( P1 ) and ( P2 ) the measurement MT1 through (symmetrical phase grating ( SPG ) is removed from the beam path), the photons ( P1 ) and ( P2 ) by means of the detectors ( DA1H ), ( DA2H ), ( DA3V ) and ( DA4V ) to be analyzed. Four results are then possible:
  1. A): The detectors ( DA3V ) and ( DA4V ) detect one photon each. In this case Alice knows that the photon ( P3 ) and the photon ( P4 ) is horizontally polarized.
  2. B): The detectors ( DA1H ) and ( DA2H ) detect one photon each. In this case Alice knows that the photon ( P3 ) and the photon ( P4 ) is vertically polarized.
  3. C): The detectors ( DA1H ) and ( DA4V ) detect one photon each. In this case Alice knows that the photon ( P4 ) is vertically polarized and the photon ( P3 ) is horizontally polarized.
  4. D): The detectors ( DA3V ) and ( DA2H ) detect one photon each. In this case Alice knows that the photon ( P4 ) is horizontally polarized and the photon ( P3 ) is vertically polarized.

Solange Alice Ihre Ergebnisse nicht mitteilt, müssen die bei Bob einlaufenden Photonen (P3) und (P4) mittels des gemischten Zustands | MT1 > < MT1 | = 1 / 4 ( | A > < A | + | B > < B | + | C > < C | + | D > < D | )

Figure DE102019008600A1_0030
beschrieben werden. Wobei mit | A > < A | , | B > < B | , | C > < C |  und  | D > < D |
Figure DE102019008600A1_0031
die den reinen Zuständen | A > = | B0 > 4 | B1 > 3 | H > 4 | H > 3 | B > = | B0 > 4 | B1 > 3 | V > 4 | V > 3 | C > = | B0 > 4 | B1 > 3 | V > 4 | V > 3 | D > = | B0 > 4 | B1 > 3 | H > 4 | H > 3
Figure DE102019008600A1_0032
zugeordneten Dichteoperatoren bezeichnet werden. Da im Fall (A) und (B) die Photonen (P3) und (P4) den Strahlteiler (STB) gleichzeitig erreichen und es in diesen Fällen prinzipiell unmöglich ist, zu entscheiden, ob die Photonen (P3) und (P4) am Strahlteiler (STB) reflektiert oder transmittiert wurden und es im Fall (C) und (D) aufgrund der über den Polarisationsfreiheitsgrad vorliegenden Informationen prinzipiell möglich ist, zu entscheiden, welches Photon am Strahlteiler (STB) reflektiert und welches transmittiert wurde [22], erhält man nach kurzer Rechnung für die am Strahlteiler (STB) auslaufenden Photonen (P3) und (P4) dann den Zustand | MT1 / OUT > < MT1 / OUT | = 1 / 4 ( | A / OUT><A/OUT | + | B / OUT > < | B / OUT | + | C / OUT > < C / OUT | + | D / OUT > < D / OUT | ) .
Figure DE102019008600A1_0033
Wobei mit | A / OUT > < A / OUT | , | B / OUT > < B / OUT | , | C / OUT > < C / OUT | ,   u n d   | D / OUT > < D / OUT |
Figure DE102019008600A1_0034
die den reinen Zuständen | A / OUT > = i / 2 1 / 2 ( | B 0 > 4 | B 0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) | H > 4 | H > 3 | B / OUT > = i / 2 1 / 2 ( | B 0 > 4 | B 0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) | V > 4 | V > 3 | C / OUT > = i / 4 1 / 2 ( i | B 0 > 4 | B 0 > 3 + i | B1 > 4 | B1 > 3 + | B 0 > 4 | B1 > 3 | B1 > 4 | B 0 > 3 ) | V > 4 | H > 3 | D / OUT > = i / 4 1 / 2 ( i | B 0 > 4 | B 0 > 3 + i | B1 > 4 | B1 > 3 + | B 0 > 4 | B1 > 3 | B1 > 4 | B 0 > 3 ) | H > 4 | H > 3
Figure DE102019008600A1_0035
zugeordneten Dichteoperatoren bezeichnet werden.As long as Alice does not share your results, the photons arriving at Bob ( P3 ) and ( P4 ) by means of the mixed state | MT1 > < MT1 | = 1 / 4th ( | A > < A | + | B > < B | + | C. > < C. | + | D > < D | )
Figure DE102019008600A1_0030
to be discribed. Whereby with | A > < A | , | B > < B | , | C. > < C. | and | D > < D |
Figure DE102019008600A1_0031
the pure states | A > = | B0 > 4th | B1 > 3rd | H > 4th | H > 3rd | B > = | B0 > 4th | B1 > 3rd | V > 4th | V > 3rd | C. > = | B0 > 4th | B1 > 3rd | V > 4th | V > 3rd | D > = | B0 > 4th | B1 > 3rd | H > 4th | H > 3rd
Figure DE102019008600A1_0032
assigned density operators. Since in the case ( A ) and ( B ) the photons ( P3 ) and ( P4 ) the beam splitter ( STB ) at the same time and in these cases it is in principle impossible to decide whether the photons ( P3 ) and ( P4 ) on the beam splitter ( STB ) reflected or transmitted and in the case ( C. ) and ( D ) Based on the information available on the degree of polarization freedom, it is possible in principle to decide which photon on the beam splitter ( STB ) reflected and which was transmitted [ 22 ], you get after a short calculation for those on the beam splitter ( STB ) expiring photons ( P3 ) and ( P4 ) then the state | MT1 / OUT > < MT1 / OUT | = 1 / 4th ( | A / OUT><A / OUT | + | B / OUT > < | B / OUT | + | C. / OUT > < C. / OUT | + | D / OUT > < D / OUT | ) .
Figure DE102019008600A1_0033
Whereby with | A / OUT > < A / OUT | , | B / OUT > < B / OUT | , | C. / OUT > < C. / OUT | , u n d | D / OUT > < D / OUT |
Figure DE102019008600A1_0034
the pure states | A / OUT > = i / 2nd 1 / 2nd ( | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) | H > 4th | H > 3rd | B / OUT > = i / 2nd 1 / 2nd ( | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) | V > 4th | V > 3rd | C. / OUT > = i / 4th 1 / 2nd ( i | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + i | B1 > 4th | B1 > 3rd + | B 0 > 4th | B1 > 3rd - | B1 > 4th | B 0 > 3rd ) | V > 4th | H > 3rd | D / OUT > = i / 4th 1 / 2nd ( i | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + i | B1 > 4th | B1 > 3rd + | B 0 > 4th | B1 > 3rd - | B1 > 4th | B 0 > 3rd ) | H > 4th | H > 3rd
Figure DE102019008600A1_0035
assigned density operators.

Die von Bob mittels der Detektoren (DB1) und (DB2) detektierten Photonen sind hinsichtlich der Impulsmoden in 75% der Fälle streng korreliert (beide Photonen befinden sich entweder in der Impulsmode (B0) und werden von dem Detektor (DB1) detektiert, oder befinden sich in der Impulsmode (B1) und werden von dem Detektor (DB2) detektiert). In 25% der Fälle werden Koinzidenzereignisse (die Detektoren (DB1) und (DB2) weisen gleichzeitig je ein Photon nach) auftreten.Bob's using the detectors ( DB1 ) and ( DB2 ) detected photons are strictly correlated with respect to the pulse modes in 75% of the cases (both photons are either in the pulse mode ( B0 ) and are detected by the detector ( DB1 ) detected, or are in the impulse mode ( B1 ) and are detected by the detector ( DB2 ) detected). In 25% of the cases, coincidence events (the detectors ( DB1 ) and ( DB2 ) detect one photon at a time).

Führt Alice an der in schematisch dargestellten Anordnung an den Photonen (P1) und (P2) die Messung MT0 durch (Symmetrisches Phasengitter (SPG) ist wie beschrieben im Strahlengang), so ergibt sich der folgende Sachverhalt:

  • Nachdem die Photonen (P1) und (P2) an dem Symmetrischen Phasengitter (SPG) gebeugt wurden, verlassen diese das Symmetrische Phasengitter (SPG) in der Impulsmode (AL). Hierdurch wird der Zustand ΨQ1/2 (Gl. 19) in den Zustand
Ψ SPG = 1 / 4 1 / 2 | B0 > 4 | B1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 ( | H > 3 | V > 1 + | V > 3 | H > 1 ) ( | H > 4 | V > 2 + | V > 4 | H > 2 )
Figure DE102019008600A1_0036
überführt.Leads Alice to the in schematically illustrated arrangement on the photons ( P1 ) and ( P2 ) the measurement MT0 through (symmetrical phase grating ( SPG ) is in the beam path as described), the following situation arises:
  • After the photons ( P1 ) and ( P2 ) on the symmetrical phase grating ( SPG ) have been bent, they leave the symmetrical phase grating ( SPG ) in pulse mode ( AL ). This will make the condition Ψ Q1 / 2 (Eq. 19) in the state
Ψ SPG = 1 / 4th 1 / 2nd | B0 > 4th | B1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 ( | H > 3rd | V > 1 + | V > 3rd | H > 1 ) ( | H > 4th | V > 2nd + | V > 4th | H > 2nd )
Figure DE102019008600A1_0036
transferred.

Da es, nachdem die Photonen (P1) und (P2) am Symmetrischen Phasengitter (SPG) gebeugt wurden, nicht einmal im Prinzip möglich ist, zu entscheiden, von welcher Quelle die einzelnen Photonen emittiert wurden, muss der Zustand ΨSPG (Gl. 26) bezüglich der Indizes 1 und 2 symmetrisiert werden. Nach der Symmetrisierung erhält man dann den Zustand Ψ DA = 1 / 4 1 / 2 | B0 > 4 | B1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 [ 1 / 2 1 / 2 ( | H > 2 | V > 1 + V > 2 | H > 1 ) ( | H > 4 V > 3 + V > 4 | H > 3 ) + | H > 4 | H > 3 | V > 2 | V > 1 + | V > 4 | V > 3 | H > 2 | H > 1 ]

Figure DE102019008600A1_0037
Since after the photons ( P1 ) and ( P2 ) on the symmetrical phase grating ( SPG ) have been diffracted, it is not even possible in principle to decide from which source the individual photons were emitted, the state Ψ SPG (Eq. 26) regarding the indices 1 and 2nd be symmetrized. After the symmetrization you get the state Ψ THERE = 1 / 4th 1 / 2nd | B0 > 4th | B1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 [ 1 / 2nd 1 / 2nd ( | H > 2nd | V > 1 + V > 2nd | H > 1 ) ( | H > 4th V > 3rd + V > 4th | H > 3rd ) + | H > 4th | H > 3rd | V > 2nd | V > 1 + | V > 4th | V > 3rd | H > 2nd | H > 1 ]
Figure DE102019008600A1_0037

Somit sind drei Ereignisse möglich:

  • (E): Auf den Detektor (DSPG) wird bei der Detektion der Photonen (P1) und (P2) die Information übertragen, dass beide Photonen vertikal polarisiert sind.
  • (F): Auf den Detektor (DSPG) wird bei der Detektion der Photonen (P1) und (P2) die Information übertragen, dass beide Photonen horizontal polarisiert sind.
  • (G): Auf den Detektor (DSPG) wird bei der Detektion der Photonen (P1) und (P2) die Information übertragen, dass ein Photonen horizontal polarisiert ist und ein Photon vertikal polarisiert ist. Wobei es nicht einmal im Prinzip möglich ist, zu entscheiden welches Photon horizontal und welches vertikal polarisiert ist.
This means that three events are possible:
  • (E): On the detector ( DSPG ) is used in the detection of the photons ( P1 ) and ( P2 ) transmit the information that both photons are vertically polarized.
  • (F): On the detector ( DSPG ) is used in the detection of the photons ( P1 ) and ( P2 ) transmit the information that both photons are horizontally polarized.
  • ( G ): On the detector ( DSPG ) is used in the detection of the photons ( P1 ) and ( P2 ) transmit the information that a photon is horizontally polarized and a photon is vertically polarized. In principle, it is not even possible to decide which photon is horizontally and which is polarized vertically.

Da einer Messung formal die Projektion auf den Zustandsanteil zugeordnet werden muss, die dem (bei der Messung) prinzipiell zugänglichen Wissen entspricht, muss den bei Bob einlaufenden Photonen (P3) und (P4) daher der gemischte Zustand | MT0; > < MT0; | = 1 / 4 | E > < E | + 1 / 4 | F > < F | + 1 / 2 | G > < G |

Figure DE102019008600A1_0038
zugeordnet werden. Wobei mit | E > < E | , | F > < F |  und  | G > < G |
Figure DE102019008600A1_0039
die den reinen Zuständen | E > = | B0 > 4 | B1 > 3 | H > 4 | H > 3 | F > = | B0 > 4 | B1 > 3 | V > 4 | V > 3 | G > = 1 / 2 1 / 2 | B0 > 4 | B1 > 3 ( | H > 4 | V > 3 + | V > 4 | H > 3 )
Figure DE102019008600A1_0040
zugeordneten Dichteoperatoren bezeichnet werden. Nachdem die Photonen (P3) und (P4) den Strahlteiler (STB) passiert haben, erhält man dann nach kurzer Rechnung für diese den gemischten Zustand | MT0/OUT><MT0/OUT | = 1 / 4 | E/OUT><E/OUT | + 1 / 4 | F/OUT> <F/OUT | + 1 / 2 | G/OUT><G/OUT | .
Figure DE102019008600A1_0041
Since a measurement must be formally assigned to the projection on the state component that corresponds to the knowledge that is generally accessible (during the measurement), the photons arriving at Bob ( P3 ) and ( P4 ) hence the mixed state | MT0; > < MT0; | = 1 / 4th | E > < E | + 1 / 4th | F > < F | + 1 / 2nd | G > < G |
Figure DE102019008600A1_0038
be assigned. Whereby with | E > < E | , | F > < F | and | G > < G |
Figure DE102019008600A1_0039
the pure states | E > = | B0 > 4th | B1 > 3rd | H > 4th | H > 3rd | F > = | B0 > 4th | B1 > 3rd | V > 4th | V > 3rd | G > = 1 / 2nd 1 / 2nd | B0 > 4th | B1 > 3rd ( | H > 4th | V > 3rd + | V > 4th | H > 3rd )
Figure DE102019008600A1_0040
assigned density operators. After the photons ( P3 ) and ( P4 ) the beam splitter ( STB ) have passed, you will then receive the mixed state for them after a short calculation | MT0 / OUT><MT0 / OUT | = 1 / 4th | E / OUT><E / OUT | + 1 / 4th | F / OUT> <F / OUT | + 1 / 2nd | G / OUT><G / OUT | .
Figure DE102019008600A1_0041

Wobei mit | E/OUT><E/OUT | , | F/OUT><F/OUT | ,  und  | G/OUT><G/OUT |

Figure DE102019008600A1_0042
die den reinen Zuständen | E/OUT> = i / 2 1 / 2 ( | B0 > 4 | B0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) | H > 4 | H > 3 | F/OUT> = i / 2 1 / 2 ( | B0 > 4 | B0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) | V > 4 | V > 3 | G/OUT> = i / 4 1 / 2 ( | B0 > 4 | B0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) ( | H > 4 | V > 3 + | V > 4 | H > 3 )
Figure DE102019008600A1_0043
zugeordneten Dichteoperatoren bezeichnet werden.Whereby with | E / OUT><E / OUT | , | F / OUT><F / OUT | , and | G / OUT><G / OUT |
Figure DE102019008600A1_0042
the pure states | E / OUT> = i / 2nd 1 / 2nd ( | B0 > 4th | B0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) | H > 4th | H > 3rd | F / OUT> = i / 2nd 1 / 2nd ( | B0 > 4th | B0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) | V > 4th | V > 3rd | G / OUT> = i / 4th 1 / 2nd ( | B0 > 4th | B0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) ( | H > 4th | V > 3rd + | V > 4th | H > 3rd )
Figure DE102019008600A1_0043
assigned density operators.

Die von Bob mittels der Detektoren (DB1) und (DB2) detektierten Photonen sind in diesem Fall hinsichtlich der Impulsmoden streng korreliert (beide Photonen befinden sich entweder in der Impulsmode (B0) und werden von dem Detektor (DB1) detektiert, oder befinden sich in der Impulsmode (B1) und werden von dem Detektor (DB2) detektiert). Koinzidenzereignisse (die Detektoren (DB1) und (DB2) weisen gleichzeitig je ein Photon nach) treten nicht auf.Bob's using the detectors ( DB1 ) and ( DB2 ) detected photons are in this case strictly correlated with regard to the pulse modes (both photons are either in the pulse mode ( B0 ) and are detected by the detector ( DB1 ) detected, or are in the impulse mode ( B1 ) and are detected by the detector ( DB2 ) detected). Coincidence events (the detectors ( DB1 ) and ( DB2 ) have one photon at a time) do not occur.

Bob kann somit anhand der Häufigkeit von Koinzidenzereignissen erkennen, ob Alice die Messung MT0 oder MT1 durchführt, obwohl es zu keinem Zeitpunkt einen Austausch von Energie (eine Wechselwirkung) zwischen Alice und Bob gibt.Bob can use the frequency of coincidence events to see if Alice is taking the measurement MT0 or MT1 performs, although there is never an exchange of energy (an interaction) between Alice and Bob.

Für eine wechselwirkungsfreie Informationsübertragung muss somit nur noch ein Protokoll vereinbart werden. Zur Übertragung kann beispielsweise vereinbart werden, dass die Messung MT0 einer logischen „0“ und die Messung MT1 einer logischen „1“ entspricht. Weiter wird vereinbart, dass pro Bit genau eine µs Übertragungszeit verwendet wird. Die Zeitpunkte an denen Alice Informationen übertragen möchte werden zuvor genau festgelegt. Beispielsweise kann Alice immer zur vollen µs neu entscheiden ob Sie eine logische „0“ oder eine logische „1“ übertragen möchte. Emittieren die Quellen (Q1) und (Q2) beispielsweise je 1000 Photonenpaare pro µs, kann Bob innerhalb einer µs sicher entscheiden, ob Alice eine logische „0“ oder eine „1“ übertragen möchte. Alice könnte dann Daten mit einer Datenrate von bis zu einem MBit/s wechselwirkungsfrei übertragen.Therefore, only one protocol needs to be agreed for an interaction-free transmission of information. For transmission, it can be agreed, for example, that the measurement MT0 a logical "0" and the measurement MT1 corresponds to a logical "1". It is also agreed that exactly one µs transmission time is used per bit. The times at which Alice would like to transmit information are specified beforehand. For example, Alice can always decide again at full µs whether she wants to transmit a logical "0" or a logical "1". Emit the sources ( Q1 ) and ( Q2 ) for example 1000 pairs of photons per µs, Bob can safely decide within one µs whether Alice has a logical "0" or a "1" want to transfer. Alice could then transmit data at a data rate of up to 1 Mbit / s without interaction.

Das Symmetrische Phasengitter (SPG) stellt sicher, dass es nicht einmal im Prinzip möglich ist zu entscheiden, von welcher Quelle die Photonen emittiert wurden, nachdem diese das Symmetrische Phasengitter (SPG) in der Impulsmode (AL) verlassen haben.The symmetrical phase grating ( SPG ) ensures that it is not even possible in principle to decide from which source the photons were emitted after the symmetrical phase grating ( SPG ) in pulse mode ( AL ) have left.

Das hier vorgestellte Verfahren kann natürlich auch mit zirkular polarisierten Photonen realisiert werden. Hierzu müssen lediglich in die polarisierenden Strahlteiler (PTA1), (PTA2) und (PTSPG) durch geeignete Bauelemente ersetzt werden. Beispielsweise durch einen Strahlteiler der linksdrehende Photonen transmittiert und rechtsdrehende Photonen reflektiert.The method presented here can of course also be implemented with circularly polarized photons. All you have to do in the polarizing beam splitters ( PTA1 ), ( PTA2 ) and ( PTSPG ) are replaced by suitable components. For example, through a beam splitter that transmits left-handed photons and reflects right-handed photons.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Photonen (P1) bis (P4), wenn diese im energetischen Freiheitsgrad verschränkt sind, mittels Detektoren nachgewiesen werden, die es ermöglichen, die Energie der Photonen zu bestimmen (siehe hierzu ). Der in schematisch dargestellte Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in dargestellten Aufbau. Zu dem in schematisch dargestellten Aufbau gelangt man, wenn man aus dem in dargestellten Aufbau die polarisierenden Strahlteiler (PTA1) und (PTA2) und die Detektoren (DA3V) und (DA4V) entfernt. Die in mit (DA1H) bzw. mit (DA2H) bezeichneten Detektoren werden in mit (DA1) bzw. mit (DA2) bezeichnet. Weiter wird der polarisierende Strahlteiler (PTSPG) und der Detektor (DSPGV) entfernt. Der in mit (DSPGH) bezeichnete Detektor wird in mit (DAL) bezeichnet. Sonst ist der in dargestellte Aufbau mit dem in dargestellten identisch. Die Quellen (Q1) und (Q2) sollen gleichzeitig jeweils zwei im energetischen Freiheitsgrad verschränkte Photonen erzeugen. Jeweils ein Photon mit der Wellenlänge λR und ein Photon mit der Wellenlänge λG , mit λR ≠ λG. Die energetische Auflösung der verwendeten Detektoren soll dabei so groß sein, dass ein Photon mit der Wellenlänge λR eindeutig von einem Photon der Wellenlänge λG unterschieden werden kann und erkannt werden kann, ob zwei oder nur ein Photon detektiert werden. Vorteilhafterweise können die in [23] beschriebenen supraleitenden Detektoren hierfür eingesetzt werden.A preferred embodiment of the invention provides that the photons ( P1 ) to ( P4 ), if these are entangled in the degree of energy freedom, can be detected by means of detectors which make it possible to determine the energy of the photons (see here ). The in schematically shown structure corresponds essentially to that in shown structure. To the in schematically shown structure you get if you from the in construction shown the polarizing beam splitters ( PTA1 ) and ( PTA2 ) and the detectors ( DA3V ) and ( DA4V ) away. In the With ( DA1H ) or with ( DA2H ) designated detectors are in designated with (DA1) or with (DA2). The polarizing beam splitter ( PTSPG ) and the detector ( DSPGV ) away. The in with (DSPGH) detector is in With ( DAL ) designated. Otherwise it's in shown construction with the in shown identical. The sources ( Q1 ) and ( Q2 ) should generate two photons entangled in the degree of freedom of energy at the same time. One photon each with the wavelength λ R and a photon with the wavelength λ G , with λ R ≠ λ G. The energetic resolution of the detectors used should be so large that a photon with the wavelength λ R clearly from a photon of wavelength λ G can be distinguished and can be recognized whether two or only one photon are detected. Advantageously, the [ 23 ] described superconducting detectors can be used for this.

Analog zu (Gl. 19) ergibt sich dann für das aus den vier Photonen bestehende Quantensystem, nachdem die Photonen die Spiegel (SP1) bis (SP4) passiert haben, der Zustand Ψ λ/ Q 1/2 = 1 / 4 1 / 2 | B0 > 4 | B1 > 3 | A0 > 2 | A1 > 1 ( | λ G > 2 | λ R > 1 + | λ R > 3 | λ G > 1 ) ( | λ G > 4 | λ R > 2 + | λ R > 4 | λ G > 2 ) .

Figure DE102019008600A1_0044
Analogous to (Eq. 19th ) then results for the quantum system consisting of the four photons after the photons pass the mirrors ( SP1 ) to ( SP4 ) have happened the state Ψ λ / Q 1/2 = 1 / 4th 1 / 2nd | B0 > 4th | B1 > 3rd | A0 > 2nd | A1 > 1 ( | λ G > 2nd | λ R > 1 + | λ R > 3rd | λ G > 1 ) ( | λ G > 4th | λ R > 2nd + | λ R > 4th | λ G > 2nd ) .
Figure DE102019008600A1_0044

Mittels Ihrer Anordnung hat Alice nun zwei Möglichkeiten eine Messung durchzuführen. 1.) Messung der Ersten Art: Das Symmetrische Phasengitter (SPG) ist wie beschrieben im Strahlengang: Messung „MT0“. 2.) Messung der Zweiten Art: Alice entfernt (SPG) aus dem Strahlengang: Messung „MT1“.Using your arrangement, Alice now has two options for taking a measurement. 1 .) Measurement of the first type: the symmetrical phase grating ( SPG ) is in the beam path as described: measurement " MT0 ". 2nd .) Measurement of the second type: Alice removed ( SPG ) from the beam path: measurement " MT1 ".

Führt Alice an den Photonen (P1) und (P2) die Messung MT0 durch (das Symmetrische Phasengitter (SPG) ist wie beschrieben im Strahlengang), so ergibt sich der folgende Sachverhalt:

  • Wenn die Photonen (P1) und (P2) an dem Symmetrischen Phasengitter (SPG) in die Impulsmode (AL) gebeugt werden, wird der Zustand Ψλ/Q1/2 (Gl. 34) in den Zustand
Ψ λ / LWL = 1 / 4 1 / 2 | B 0 > 4 | B 1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 ( | λ G > 3 | λ R > 1 + | λ R > 3 | λ G > 1 ) ( | λ G > 4 | λ R > 2 + | λ R > 4 | λ G > 2 ) .
Figure DE102019008600A1_0045
überführt. Da es, nachdem die Photonen (P1) und (P2) das Symmetrische Phasengitter (SPG) passiert haben, nicht einmal im Prinzip möglich ist, zu entscheiden, von welcher Quelle die einzelnen Photonen emittiert wurden, muss der Zustand Ψλ/LWL (Gl. 35) bezüglich der Indizes 1 und 2 symmetrisiert werden. Nach der Symmetrisierung erhält man dann den Zustand Ψ λ / DA = 1 / 4 1 / 2 | B 0 > 4 | B 1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 [ 1 / 2 1 / 2 ( | λ G > 2 | λ R > 1 + | λ R > 2 | λ G > 1 ) ( | λ G > 4 | λ R > 3 + | λ R > 4 | λ G > 3 ) + | λ G > 4 | λ G > 3 | λ R > 2 | λ R > 1 + | λ R > 4 | λ R > 3 | λ G > 2 | λ G > 1 ] .
Figure DE102019008600A1_0046
Guide Alice to the photons ( P1 ) and ( P2 ) the measurement MT0 through (the symmetrical phase grating ( SPG ) is in the beam path as described), the following situation arises:
  • If the photons ( P1 ) and ( P2 ) on the symmetrical phase grating ( SPG ) in pulse mode ( AL ) will be bowed, the condition Ψ λ / Q1 / 2 (Eq. 34) in the state
Ψ λ / FO = 1 / 4th 1 / 2nd | B 0 > 4th | B 1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 ( | λ G > 3rd | λ R > 1 + | λ R > 3rd | λ G > 1 ) ( | λ G > 4th | λ R > 2nd + | λ R > 4th | λ G > 2nd ) .
Figure DE102019008600A1_0045
transferred. Since after the photons ( P1 ) and ( P2 ) the symmetrical phase grating ( SPG ) have happened, it is not even possible in principle to decide from which source the individual photons were emitted, the state Ψ λ / LWL (Eq. 35) regarding the indices 1 and 2nd be symmetrized. After the symmetrization you get the state Ψ λ / THERE = 1 / 4th 1 / 2nd | B 0 > 4th | B 1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 [ 1 / 2nd 1 / 2nd ( | λ G > 2nd | λ R > 1 + | λ R > 2nd | λ G > 1 ) ( | λ G > 4th | λ R > 3rd + | λ R > 4th | λ G > 3rd ) + | λ G > 4th | λ G > 3rd | λ R > 2nd | λ R > 1 + | λ R > 4th | λ R > 3rd | λ G > 2nd | λ G > 1 ] .
Figure DE102019008600A1_0046

Die der Symmetrisierung zugeordnete untiäre Transformation lässt sich mittels des unitären Operators ULWL beschreiben. Dieser kann auf dem, durch die Zustandsvektoren |1>, |2>, |3>, |4>, |5>, |6> aufgespannten Unterraum wie folgt definiert werden: U LWL = 1 2 | 1 > | 2 > | 3 > | 4 > | 5 > | 6 > [ 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 2 ] < 1 | < 2 | < 3 | < 4 | < 5 | < 6 |

Figure DE102019008600A1_0047
X = [ X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 ] | 1 > | 2 > | 3 > | 4 > | 5 > | 6 >
Figure DE102019008600A1_0048
mit: | 1 > = | B 0 > 4 | B1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 | λ G > 4 | λ R > 3 | λ R > 2 | λ G > 1 | 2 > = | B 0 > 4 | B1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 | λ G > 4 | λ R > 3 | λ R > 2 | λ G > 1 | 3 > = | B 0 > 4 | B1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 | λ G > 4 | λ R > 3 | λ R > 2 | λ G > 1 | 4 > = | B 0 > 4 | B1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 | λ G > 4 | λ R > 3 | λ R > 2 | λ G > 1 | 5 > = | B 0 > 4 | B1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 | λ G > 4 | λ R > 3 | λ R > 2 | λ G > 1 | 6 > = | B 0 > 4 | B1 > 3 | AL > 2 | AL > 1 | λ G > 4 | λ R > 3 | λ R > 2 | λ G > 1
Figure DE102019008600A1_0049
The unitary transformation assigned to the symmetrization can be done using the unitary operator U LWL describe. This can be defined on the subspace spanned by the state vectors | 1>, | 2>, | 3>, | 4>, | 5>, | 6> as follows: U FO = 1 2nd | 1 > | 2nd > | 3rd > | 4th > | 5 > | 6 > [ 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 - 1 0 0 0 1 - 1 0 0 0 0 0 0 0 2nd 0 0 0 0 0 0 2nd ] < 1 | < 2nd | < 3rd | < 4th | < 5 | < 6 |
Figure DE102019008600A1_0047
X = [ X 1 X 2nd X 3rd X 4th X 5 X 6 ] | 1 > | 2nd > | 3rd > | 4th > | 5 > | 6 >
Figure DE102019008600A1_0048
With: | 1 > = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 | λ G > 4th | λ R > 3rd | λ R > 2nd | λ G > 1 | 2nd > = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 | λ G > 4th | λ R > 3rd | λ R > 2nd | λ G > 1 | 3rd > = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 | λ G > 4th | λ R > 3rd | λ R > 2nd | λ G > 1 | 4th > = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 | λ G > 4th | λ R > 3rd | λ R > 2nd | λ G > 1 | 5 > = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 | λ G > 4th | λ R > 3rd | λ R > 2nd | λ G > 1 | 6 > = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | AL > 2nd | AL > 1 | λ G > 4th | λ R > 3rd | λ R > 2nd | λ G > 1
Figure DE102019008600A1_0049

Somit gilt: Ψ λ / DA = U LWL Ψ λ / LWL

Figure DE102019008600A1_0050
Therefore: Ψ λ / THERE = U FO Ψ λ / FO
Figure DE102019008600A1_0050

Nun sind drei Ereignisse möglich:

  • (E;λ): Auf den Detektor (DAL) wird bei der Detektion der Photonen (P1) und (P2) die Information übertragen, dass beide Photonen die Wellenlänge λR haben.
  • (F;A): Auf den Detektor (DAL) wird bei der Detektion der Photonen (P1) und (P2) die Information übertragen, dass beide Photonen die Wellenlänge λG haben.
  • (G;A): Auf den Detektor (DAL) wird bei der Detektion der Photonen (P1) und (P2) die Information übertragen, dass ein Photonen die Wellenlänge λR und ein Photon die Wellenlänge λG hat. Wobei es nicht einmal im Prinzip möglich ist, zu entscheiden welchem Photon die Wellenlänge λR und welchem Photon die Wellenlänge λG zugeordnet werden muss.
Three events are now possible:
  • (E; λ): On the detector ( DAL ) is used in the detection of the photons ( P1 ) and ( P2 ) transmit the information that both photons have the wavelength λ R to have.
  • (F; A): On the detector ( DAL ) is used in the detection of the photons ( P1 ) and ( P2 ) transmit the information that both photons have the wavelength λ G to have.
  • (G; A): On the detector ( DAL ) is used in the detection of the photons ( P1 ) and ( P2 ) transmit the information that a photon has the wavelength λ R and a photon the wavelength λ G Has. It is not even possible in principle to decide which photon the wavelength λ R and which photon the wavelength λ G must be assigned.

Da einer Messung formal die Projektion auf den Zustandsanteil zugeordnet werden muss, die dem (bei der Messung) prinzipiell zugänglichen Wissen entspricht, muss den bei Bob einlaufenden Photonen (P3) und (P4) somit der gemischte Zustand der Ersten Art (Z1) | MT 0 ; λ>< MT 0 ; λ | = 1 / 4 | E ; λ > < E ; λ | + 1 / 4 | F ; λ>< F ; λ | + 1 / 2 | G ; λ>< G ; λ |

Figure DE102019008600A1_0051
zugeordnet werden. Wobei mit | E ; λ > < E ; λ | , | F ; λ > < F ; λ | und | G ; λ>< G ; λ |
Figure DE102019008600A1_0052
die den reinen Zuständen | E ; λ> = | B 0 > 4 | B1 > 3 | λ G > 4 | λ G > 3 | F ; λ> = | B 0 > 4 | B1 > 3 | λ R > 4 | λ R > 3 | G ; λ> = 1 / 2 1 / 2 | B 0 > 4 | B1 > 3 ( | λ G > 4 | λ R > 3 + | λ R > 4 | λ G > 3 )
Figure DE102019008600A1_0053
zugeordneten Dichteoperatoren bezeichnet werden. Nachdem die Photonen (P3) und (P4) den Strahlteiler (STB) passiert haben, erhält man dann nach kurzer Rechnung für diese den gemischten Zustand | MT 0 / OUT ; λ>< MT 0 / OUT ; λ | = 1 / 4 | E / OUT ; λ>< E / OUT ; λ |              + 1 / 4 | F / OUT ; λ>< F / OUT ; λ | + 1 / 2 | G / OUT ; λ>< G / OUT ; λ | .
Figure DE102019008600A1_0054
Since a measurement must be formally assigned to the projection on the state component that corresponds to the knowledge that is generally accessible (during the measurement), the photons arriving at Bob ( P3 ) and ( P4 ) thus the mixed state of the first kind ( Z1 ) | MT 0 ; λ>< MT 0 ; λ | = 1 / 4th | E ; λ > < E ; λ | + 1 / 4th | F ; λ>< F ; λ | + 1 / 2nd | G ; λ>< G ; λ |
Figure DE102019008600A1_0051
be assigned. Whereby with | E ; λ > < E ; λ | , | F ; λ > < F ; λ | and | G ; λ>< G ; λ |
Figure DE102019008600A1_0052
the pure states | E ; λ> = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | λ G > 4th | λ G > 3rd | F ; λ> = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | λ R > 4th | λ R > 3rd | G ; λ> = 1 / 2nd 1 / 2nd | B 0 > 4th | B1 > 3rd ( | λ G > 4th | λ R > 3rd + | λ R > 4th | λ G > 3rd )
Figure DE102019008600A1_0053
assigned density operators. After the photons ( P3 ) and ( P4 ) the beam splitter ( STB ) have passed, you will then receive the mixed state for them after a short calculation | MT 0 / OUT ; λ>< MT 0 / OUT ; λ | = 1 / 4th | E / OUT ; λ>< E / OUT ; λ | + 1 / 4th | F / OUT ; λ>< F / OUT ; λ | + 1 / 2nd | G / OUT ; λ>< G / OUT ; λ | .
Figure DE102019008600A1_0054

Wobei mit | E / OUT ; λ>< E / OUT ; λ | , | F / OUT ; λ>< F / OUT ; λ | und  | G / OUT ; λ>< G / OUT ; λ |

Figure DE102019008600A1_0055
die den reinen Zuständen | E / OUT ; λ > = i / 2 1 / 2 ( | B 0 > 4 | B 0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) | λ G > 4 | λ G > 3 | F / OUT ; λ > = i / 2 1 / 2 ( | B 0 > 4 | B 0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) | λ R > 4 | λ R > 3 | G / OUT ; λ > = i / 4 1 / 2 ( | B 0 > 4 | B 0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) ( | λ G > 4 | λ R > 3 + | λ R > 5 | λ G > 3 )
Figure DE102019008600A1_0056
zugeordneten Dichteoperatoren bezeichnet werden.Whereby with | E / OUT ; λ>< E / OUT ; λ | , | F / OUT ; λ>< F / OUT ; λ | and | G / OUT ; λ>< G / OUT ; λ |
Figure DE102019008600A1_0055
the pure states | E / OUT ; λ > = i / 2nd 1 / 2nd ( | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) | λ G > 4th | λ G > 3rd | F / OUT ; λ > = i / 2nd 1 / 2nd ( | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) | λ R > 4th | λ R > 3rd | G / OUT ; λ > = i / 4th 1 / 2nd ( | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) ( | λ G > 4th | λ R > 3rd + | λ R > 5 | λ G > 3rd )
Figure DE102019008600A1_0056
assigned density operators.

Die von Bob mittels der Detektoren (DB1) und (DB2) detektierten Photonen sind somit hinsichtlich der Impulsmoden streng korreliert (beide Photonen befinden sich entweder in der Impulsmode (B0) und werden von dem Detektor (DB1) detektiert, oder befinden sich in der Impulsmode (B1) und werden von dem Detektor (DB2) detektiert). Koinzidenzereignisse (die Detektoren (DB1) und (DB2) weisen gleichzeitig je ein Photon nach) treten nicht auf.Bob's using the detectors ( DB1 ) and ( DB2 ) detected photons are thus strictly correlated with regard to the pulse modes (both photons are either in the pulse mode ( B0 ) and are detected by the detector ( DB1 ) detected, or are in the impulse mode ( B1 ) and are detected by the detector ( DB2 ) detected). Coincidence events (the detectors ( DB1 ) and ( DB2 ) have one photon at a time) do not occur.

Führt Alice an den Photonen (P1) und (P2) die Messung MT1 durch (Symmetrisches Phasengitter (SPG) wird aus dem Strahlengang entfernt), so können die Photonen (P1) und (P2) mittels der Detektoren (DA1) und (DA2) analysiert werden. Es sind dann vier Ergebnisse möglich:

  • (A;λ): Die Detektoren (DA1) und (DA2) detektieren je ein Photon mit der Wellenlänge λR . Alice weiß in diesem Fall, dass dem Photon (P3) und dem Photon (P4) die Wellenlänge λG zugeordnet werden muss.
  • (B;λ): Die Detektoren (DA1) und (DA2) detektieren je ein Photon mit der Wellenlänge λG . Alice weiß in diesem Fall, dass dem Photon (P3) und dem Photon (P4) die Wellenlänge λR zugeordnet werden muss.
  • (C;A): Die Detektoren (DA1) und (DA2) detektieren je ein Photon. (DA1) detektiert ein Photon mit der Wellenlänge λR und (DA2) detektiert ein Photon mit der Wellenlänge λG . Alice weiß in diesem Fall, dass dem Photon (P4) die Wellenlänge λG und dem Photon (P3) die Wellenlänge λR zugeordnet werden muss.
  • (D;A): Die Detektoren (DA1) und (DA2) detektieren je ein Photon. (DA1) detektiert ein Photon mit der Wellenlänge λG und (DA2) detektiert ein Photon mit der Wellenlänge λR . Alice weiß in diesem Fall, dass dem Photon (P4) die Wellenlänge λR und dem Photon (P3) die Wellenlänge λG zugeordnet werden muss.
Guide Alice to the photons ( P1 ) and ( P2 ) the measurement MT1 through (symmetrical phase grating ( SPG ) is removed from the beam path), the photons ( P1 ) and ( P2 ) can be analyzed using the detectors (DA1) and (DA2). Four results are then possible:
  • ( A ; λ): The detectors ( DA1 ) and ( DA2 ) each detect a photon with the wavelength λ R . In this case Alice knows that the photon ( P3 ) and the photon ( P4 ) the wavelength λ G must be assigned.
  • ( B ; λ): The detectors ( DA1 ) and ( DA2 ) each detect a photon with the wavelength λ G . In this case Alice knows that the photon ( P3 ) and the photon ( P4 ) the wavelength λ R must be assigned.
  • ( C. ; A): The detectors ( DA1 ) and ( DA2 ) detect one photon each. ( DA1 ) detects a photon with the wavelength λ R and ( DA2 ) detects a photon with the wavelength λ G . In this case Alice knows that the photon ( P4 ) the wavelength λ G and the photon ( P3 ) the wavelength λ R must be assigned.
  • ( D ; A): The detectors ( DA1 ) and ( DA2 ) detect one photon each. ( DA1 ) detects a photon with the wavelength λ G and ( DA2 ) detects a photon with the wavelength λ R . In this case Alice knows that the photon ( P4 ) the wavelength λ R and the photon ( P3 ) the wavelength λ G must be assigned.

Solange Alice Ihre Ergebnisse nicht mitteilt, müssen die bei Bob einlaufenden Photonen (P3) und (P4) mittels des gemischten Zustands der Zweiten Art (Z2) | MT1 ; λ>< MT1 ; λ | = 1 / 4 ( | A ; λ>< A ; λ | + | B ; λ>< B ; λ | + | C ; λ>< C ; λ | + | D ; λ>< D ; λ | )

Figure DE102019008600A1_0057
beschrieben werden. Wobei mit | A ; λ>< A ; λ | , | B ; λ>< B ; λ | , | C ; λ>< C ; λ |  und  | D ; λ>< D ; λ |
Figure DE102019008600A1_0058
die den reinen Zuständen | A ; λ> = | B 0 > 4 | B1 > 3 | λ G > 4 | λ G > 3 | B ; λ> = | B 0 > 4 | B1 > 3 | λ R > 4 | λ R > 3 | C ; λ> = | B 0 > 4 | B1 > 3 | λ G > 4 | λ R > 3 | D ; λ> = | B 0 > 4 | B1 > 3 | λ R > 4 | λ G > 3
Figure DE102019008600A1_0059
zugeordneten Dichteoperatoren bezeichnet werden. Da im Fall (A) und (B) die Photonen (P3) und (P4) den Strahlteiler (STB) gleichzeitig erreichen und es in diesen Fällen prinzipiell unmöglich ist, zu entscheiden, ob die Photonen (P3) und (P4) am Strahlteiler (STB) reflektiert oder transmittiert wurden und es im Fall (C) und (D) aufgrund der über den energetischen Freiheitsgrad vorliegenden Informationen prinzipiell möglich ist, zu entscheiden, welches Photon am Strahlteiler (STB) reflektiert und welches transmittiert wurde, erhält man nach kurzer Rechnung für die am Strahlteiler (STB) auslaufenden Photonen (P3) und (P4) dann den Zustand | MT1/OUT ; λ>< MT1/OUT ; λ | = 1 / 4 ( | A / OUT ; λ > < A / OUT ; λ | + | B / OUT ; λ>< B / OUT ; λ |                                                   + | C / OUT ; λ>< C / OUT ; λ | + | D / OUT ; λ>< D / OUT ; λ | ) .
Figure DE102019008600A1_0060
As long as Alice does not share your results, the photons arriving at Bob ( P3 ) and ( P4 ) by means of the mixed state of the second kind ( Z2 ) | MT1 ; λ>< MT1 ; λ | = 1 / 4th ( | A ; λ>< A ; λ | + | B ; λ>< B ; λ | + | C. ; λ>< C. ; λ | + | D ; λ>< D ; λ | )
Figure DE102019008600A1_0057
to be discribed. Whereby with | A ; λ>< A ; λ | , | B ; λ>< B ; λ | , | C. ; λ>< C. ; λ | and | D ; λ>< D ; λ |
Figure DE102019008600A1_0058
the pure states | A ; λ> = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | λ G > 4th | λ G > 3rd | B ; λ> = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | λ R > 4th | λ R > 3rd | C. ; λ> = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | λ G > 4th | λ R > 3rd | D ; λ> = | B 0 > 4th | B1 > 3rd | λ R > 4th | λ G > 3rd
Figure DE102019008600A1_0059
assigned density operators. Since in the case ( A ) and ( B ) the photons ( P3 ) and ( P4 ) the beam splitter ( STB ) at the same time and in these cases it is in principle impossible to decide whether the photons ( P3 ) and ( P4 ) on the beam splitter ( STB ) reflected or transmitted and in the case ( C. ) and ( D ) Based on the information available on the degree of energy freedom, it is in principle possible to decide which photon on the beam splitter ( STB ) reflected and which one was transmitted can be obtained after a short calculation for those on the beam splitter ( STB ) expiring photons ( P3 ) and ( P4 ) then the state | MT1 / OUT ; λ>< MT1 / OUT ; λ | = 1 / 4th ( | A / OUT ; λ > < A / OUT ; λ | + | B / OUT ; λ>< B / OUT ; λ | + | C. / OUT ; λ>< C. / OUT ; λ | + | D / OUT ; λ>< D / OUT ; λ | ) .
Figure DE102019008600A1_0060

Wobei mit | A / OUT ; λ>< A / OUT ; λ | , | B / OUT ; λ>< B / OUT ; λ | , | C / OUT ; λ>< C / OUT ; λ |                               und  | D / OUT ; λ>< D / OUT ; λ |

Figure DE102019008600A1_0061
die den reinen Zuständen | A / OUT ; λ > = i / 2 1 / 2 ( | B 0 > 4 | B 0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) | λ G > 4 | λ G > 3 | B / OUT ; λ > = i / 2 1 / 2 ( | B 0 > 4 | B 0 > 3 + | B1 > 4 | B1 > 3 ) | λ R > 4 | λ R > 3 | C / OUT ; λ > = i / 4 1 / 2 ( i | B 0 > 4 | B 0 > 3 + i | B1 > 4 | B1 > 3 + | B 0 > 4 | B1 > 3 | B1 > 4 | B 0 > 3 ) | λ G > 4 | λ G > 3 | D / OUT ; λ > = i / 4 1 / 2 ( i | B 0 > 4 | B 0 > 3 + i | B1 > 4 | B1 > 3 + | B 0 > 4 | B1 > 3 | B1 > 4 | B 0 > 3 ) | λ R > 4 | λ G > 3
Figure DE102019008600A1_0062
zugeordneten Dichteoperatoren bezeichnet werden. Die von Bob mittels der Detektoren (DB1) und (DB2) detektierten Photonen sind nun hinsichtlich der Impulsmoden nur noch in 75% der Fälle streng korreliert (beide Photonen befinden sich entweder in der Impulsmode (B0) und werden von dem Detektor (DB1) detektiert, oder befinden sich in der Impulsmode (B1) und werden von dem Detektor (DB2) detektiert). In 25% der Fälle werden nun Koinzidenzereignisse (die Detektoren (DB1) und (DB2) weisen gleichzeitig je ein Photon nach) auftreten. Bob kann somit anhand der Häufigkeit von Koinzidenzereignissen erkennen, ob Alice die Messung MT0 oder MT1 durchführt, obwohl es zu keinem Zeitpunkt einen Austausch von Energie (eine Wechselwirkung) zwischen Alice und Bob gibt.Whereby with | A / OUT ; λ>< A / OUT ; λ | , | B / OUT ; λ>< B / OUT ; λ | , | C. / OUT ; λ>< C. / OUT ; λ | and | D / OUT ; λ>< D / OUT ; λ |
Figure DE102019008600A1_0061
the pure states | A / OUT ; λ > = i / 2nd 1 / 2nd ( | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) | λ G > 4th | λ G > 3rd | B / OUT ; λ > = i / 2nd 1 / 2nd ( | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + | B1 > 4th | B1 > 3rd ) | λ R > 4th | λ R > 3rd | C. / OUT ; λ > = i / 4th 1 / 2nd ( i | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + i | B1 > 4th | B1 > 3rd + | B 0 > 4th | B1 > 3rd - | B1 > 4th | B 0 > 3rd ) | λ G > 4th | λ G > 3rd | D / OUT ; λ > = i / 4th 1 / 2nd ( i | B 0 > 4th | B 0 > 3rd + i | B1 > 4th | B1 > 3rd + | B 0 > 4th | B1 > 3rd - | B1 > 4th | B 0 > 3rd ) | λ R > 4th | λ G > 3rd
Figure DE102019008600A1_0062
assigned density operators. Bob's using the detectors ( DB1 ) and ( DB2 ) detected photons are now strictly correlated with respect to the pulse modes only in 75% of the cases (both photons are either in the pulse mode ( B0 ) and are detected by the detector ( DB1 ) detected, or are in the impulse mode ( B1 ) and are detected by the detector ( DB2 ) detected). In 25% of the cases, coincidence events (the detectors ( DB1 ) and ( DB2 ) detect one photon at a time). Bob can use the frequency of coincidence events to see if Alice is taking the measurement MT0 or MT1 performs, although there is never an exchange of energy (an interaction) between Alice and Bob.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Detektoren (DA1) und/oder (DA2) und/oder (DAL) und/oder (DB1) und/oder (DB2) mittels supraleitender Detektoren realisiert werden. Grundsätzlich eignen sich hierfür die in [23] ausführlich beschriebenen supraleitenden Detektoren. A preferred embodiment of the invention provides that the detectors ( DA1 ) and or ( DA2 ) and or ( DAL ) and or ( DB1 ) and or ( DB2 ) can be realized by means of superconducting detectors. Basically, the [ 23 ] Superconducting detectors described in detail.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sowohl Alice als auch Bob mit dem in dargestellten Aufbau Informationen senden oder empfangen können. Hierzu müssen lediglich beide über die Möglichkeit verfügen, wahlweise einen Strahlteiler (STB) in Ihren Aufbau einzubringen (wenn dieser als Empfänger dienen soll) oder wenn dieser als Sender dienen soll, für die Messung MT0 einen Detektor (DSPG) in diesen integrieren oder diesen entfernen, wenn die Messung MT1 durchgeführt werden soll.A preferred embodiment of the invention provides that both Alice and Bob with the in shown structure can send or receive information. To do this, both only need to have the option of optionally using a beam splitter ( STB ) in your setup (if this is to serve as a receiver) or if it is to serve as a transmitter for the measurement MT0 a detector ( DSPG ) integrate into this or remove it when the measurement MT1 to be carried out.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das hier beschriebene Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung dazu verwendet wird, um abhörsicher Informationen übertragen zu können. Der besondere Vorteil in dem hier vorgestellten Verfahren kann darin gesehen werden, dass dieses nicht nur abhörsicher ist, sondern auch keinerlei Möglichkeit besteht, zu erkennen, zu welchem Zeitpunkt Informationen übertragen werden. Hierzu muss lediglich die Laufzeit der Photonen (P1) und (P2) von den Quellen (Q1) und (Q2) bis zu den für den Nachweis bei Alice herangezogenen Detektoren, so auf die Laufzeit der Photonen (P3) und (P4) von den Quellen (Q1) und (Q2) bis zu dem Aufbau von Bob abgestimmt werden, dass zu dem Zeitpunkt an dem die Photonen (P1) und (P2) bei Alice nachgewiesen werden, sich die Photonen (P3) und (P4) unmittelbar vor dem Aufbau von Bob befinden, vorzugsweise nur noch einige Meter von dem Aufbau entfernt sind.A further preferred embodiment of the invention provides that the method for interaction-free information transmission described here is used to be able to transmit information that is secure against eavesdropping. The particular advantage in the method presented here can be seen in the fact that it is not only secure against eavesdropping, but there is also no possibility of recognizing the time at which information is transmitted. To do this, only the photon transit time ( P1 ) and ( P2 ) from the sources ( Q1 ) and ( Q2 ) up to the detectors used for the detection at Alice, so on the transit time of the photons ( P3 ) and ( P4 ) from the sources ( Q1 ) and ( Q2 ) be tuned up to the build up of Bob that at the time the photons ( P1 ) and ( P2 ) in Alice, the photons ( P3 ) and ( P4 ) are immediately in front of Bob's body, preferably only a few meters away from the body.

Für das Gelingen des hier vorgeschlagenen Verfahrens zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung ist es von entscheidender Bedeutung, wie die Formulierung „Wissen das prinzipiell über das betrachtete Quantensystem vorliegt“ korrekt zu interpretieren ist. Die allgemein akzeptierte Vorstellung hierzu ist, dass es keine Rolle spielt, zu welchem Zeitpunkt das „prinzipiell zugängliche Wissen über ein Quantensystem“ vorliegt. Nur, was bedeutet das konkret? Das hier betrachtete Experiment wirft die Frage auf, an welchem Ort (Raumbereich) muss das „prinzipiell zugängliche Wissen über ein Quantensystem“ vorliegen (im Sinne von „im Prinzip klassisch abrufbar sein“) und ab welchem Zeitpunkt? Wenn Wissen eine klassische Eigenschaft ist, muss Wissen immer mittels Energie repräsentiert sein. Wenn Alice aufgrund Ihrer Messung MT1 weiß, welche Polarisation die Photonen (P3) und (P4) haben und der Abstand zwischen Alice und Bob hinreichend groß ist, kann dieses Wissen von Alice (wenn es eine klassische Eigenschaft ist) zu dem Zeitpunkt an dem die Photonen (P3) und (P4) den Punkt PB auf dem Strahlteiler (STB) erreichen dort nicht einmal im Prinzip vorliegen. Auch stellt sich die Frage: Wenn Alice sich zu einem bestimmten Zeitpunkt für eine Art der Messung (MT0 oder MT1) entscheidet und diese Entscheidung an Ihrem Aufbau umsetzt, liegt dieses Wissen dann augenblicklich bei Bob vor oder erst zu einem (um die Laufzeit, die Licht benötigt um den Abstand zwischen den Aufbauten zurückzulegen) verzögerten Zeitpunkt vor? Wenn das Experiment dennoch erfolgreich realisiert werden kann, zeigt das, dass eine wechselwirkungsfreie Informationsübertragung augenblicklich stattfinden kann und Wissen keine klassische Eigenschaft ist. Das vorgeschlagene Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung kann somit auch zur Klärung ganz grundsätzlicher Fragen beitragen.For the success of the procedure for the interaction-free transfer of information proposed here, it is of crucial importance how the wording "Knowledge that is basically available about the quantum system under consideration" is to be correctly interpreted. The generally accepted idea here is that it does not matter at what point in time the "principally accessible knowledge of a quantum system" is available. But what does that mean specifically? The experiment considered here raises the question, at which location (area) must the "principally accessible knowledge of a quantum system" be available (in the sense of "in principle can be called up in a classic way") and at what point in time? If knowledge is a classic property, knowledge must always be represented by energy. If Alice because of your measurement MT1 knows which polarization the photons ( P3 ) and ( P4 ) and the distance between Alice and Bob is sufficiently large, this knowledge of Alice (if it is a classic property) at the time when the photons ( P3 ) and ( P4 ) the point PB on the beam splitter ( STB ) do not even exist there in principle. The question also arises: If Alice at a certain point in time for a type of measurement ( MT0 or MT1 ) decides and implements this decision on your superstructure, does Bob have this knowledge immediately or only at a delayed time (due to the time it takes light to cover the distance between the superstructures)? If the experiment can nevertheless be successfully carried out, this shows that an interaction-free transfer of information can take place immediately and knowledge is not a classic property. The proposed procedure for the interaction-free transfer of information can thus also help to clarify very basic questions.

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Claims (7)

Verfahren zur wechselwirkungsfreien Informationsübertragung mittels verschränkter Photonen, bei dem eine Quelle (Q1) gleichzeitig zwei in mindestens einem sekundären Freiheitsgrad verschränkte Photonen (P1) und (P3) erzeugt und eine Quelle (Q2) gleichzeitig zwei in mindestens einem sekundären Freiheitsgrad verschränkte Photonen (P2) und (P4) erzeugt und der Sender der Information (Alice) zur Übertragung einer binär kodierten Information mittels einer Messung der ersten Art (MT0) an den Photonen (P1) und (P2) das aus den Photonen (P3) und (P4) bestehende Quantensystem in einen gemischten Zustand der Ersten Art (Z1) überführt und hierdurch den ersten logischen Zustand, vorzugsweise die logische 0, kodiert und mittels einer Messung der zweiten Art (MT1) an den Photonen (P1) und (P2) das aus den Photonen (P3) und (P4) bestehende Quantensystem in einen gemischten Zustand der zweiten Art (Z2) überführt und hierdurch den zweiten logischen Zustand, vorzugsweise die logische 1, kodiert und der Empfänger der Information (Bob) den Zustand der Photonen (P3) und (P4) im Hinblick auf die Eigenschaft gemischter Zustand der ersten Art (Z1) und gemischter Zustand der zweiten Art (Z2) einer Zustandsanalyse unterzieht und hieraus die übertragenen logischen Zustände zum Zwecke einer wechselwirkungsfreien Informationsübertragung erkannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der Ersten Art (MT0) ein Symmetrisches Phasengitter (SPG), vorzugsweise ein symmetrisches Reflexionsgitter, verwendet wird und die in den Impulsmoden (A1) und (A0) an dem symmetrischen Phasengitter (SPG) einlaufenden Photonen (P1) und (P2) an dem Symmetrischen Phasengitter (SPG) in die Impulsmode (AL) gebeugt werden.Method for the interaction-free transmission of information by means of entangled photons, in which a source (Q1) simultaneously generates two photons (P1) and (P3) entangled in at least one secondary degree of freedom and a source (Q2) simultaneously produces two photons (P2) entangled in at least one secondary degree of freedom and (P4) and the transmitter of the information (Alice) for transmitting a binary coded information by means of a measurement of the first type (MT0) at the photons (P1) and (P2) that consisting of the photons (P3) and (P4) Converted the quantum system into a mixed state of the first type (Z1) and thereby encoding the first logical state, preferably the logical 0, and by means of a measurement of the second type (MT1) on the photons (P1) and (P2) that the photons ( P3) and (P4) existing quantum system is converted into a mixed state of the second type (Z2) and thereby encodes the second logical state, preferably the logical 1, and the The recipient of the information (Bob) subjects the state of the photons (P3) and (P4) to a state analysis with regard to the properties of the mixed state of the first type (Z1) and the mixed state of the second type (Z2) and from this the transmitted logic states for the purpose an interaction-free transmission of information can be recognized, characterized in that a symmetrical phase grating (SPG), preferably a symmetrical reflection grating, is used for the measurement of the first type (MT0) and is used in the pulse modes (A1) and (A0) on the symmetrical phase grating ( SPG) incoming photons (P1) and (P2) on the symmetrical phase grating (SPG) are diffracted into the pulse mode (AL). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als sekundärer Freiheitsgrad der Polarisationsfreiheitgrad und/oder der energetische Freiheitsgrad verwendet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the degree of polarization freedom and / or the energetic degree of freedom is used as the secondary degree of freedom. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zustandsanalyse der Photonen (P3) und (P4) ein Strahlteiler, vorzugsweise ein symmetrischer Strahlteiler, verwendet wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 2nd , characterized in that a beam splitter, preferably a symmetrical beam splitter, is used for the state analysis of the photons (P3) and (P4). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messungen (MT0) und/oder (MT1) polarisierende Strahlteiler und/oder dichroitische Strahlteiler verwendet werden.Procedure according to one of the Claims 1 to 3rd , characterized in that polarizing beam splitters and / or dichroic beam splitters are used for the measurements (MT0) and / or (MT1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion der verwendeten Photonen supraleitende Detektoren verwendet werden.Procedure according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that superconducting detectors are used to detect the photons used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit der Photonen (P1) und (P2) von den Quellen (Q1) und (Q2) bis zu den für den Nachweis bei Alice herangezogenen Detektoren, so auf die Laufzeit der Photonen (P3) und (P4) von den Quellen (Q1) und (Q2) bis zu dem Aufbau von Bob abgestimmt werden, dass zu dem Zeitpunkt an dem die Photonen (P1) und (P2) bei Alice nachgewiesen werden, sich die Photonen (P3) und (P4) unmittelbar vor dem Aufbau von Bob befinden, vorzugsweise nur noch einige Meter von dem Aufbau entfernt sind und hierdurch eine abhörsichere Informationsübertragung realisiert wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the transit time of the photons (P1) and (P2) from the sources (Q1) and (Q2) to the detectors used for the detection at Alice, so on the transit time of the photons (P3) and (P4) from the sources (Q1) and (Q2) to the structure of Bob that at the time when the photons (P1) and (P2) are detected in Alice, the photons (P3) and (P4) immediately before Bob is set up, preferably only a few meters away from the set-up, and thereby a tap-proof transmission of information is realized. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Symmetrische Phasengitter (SPG) mittels einer Steuereinheit elektrisch zu und abgeschaltet werden kann.Procedure according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that symmetrical phase grating (SPG) can be switched on and off electrically by means of a control unit.
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