Von Verschränkung spricht man in der Quantenphysik, wenn ein zusammengesetztes physikalisches System, z. B. ein System mit mehreren Teilchen, als Ganzes betrachtet einen wohldefinierten Zustand einnimmt, ohne dass man auch jedem der Teilsysteme einen eigenen wohldefinierten Zustand zuordnen kann.
Im Bereich der klassischen Physik kann es dieses Phänomen nicht geben. Dort sind zusammengesetzte Systeme stets separabel, das heißt, jedes Teilsystem hat zu jeder Zeit einen bestimmten Zustand, der sein jeweiliges Verhalten bestimmt, wobei die Gesamtheit der Zustände der einzelnen Teilsysteme und ihr Zusammenwirken vollständig erklären, in welchem Zustand das Gesamtsystem ist und wie es sich verhält. In einem quantenphysikalisch verschränkten Zustand des Systems besitzen hingegen die Teilsysteme mehrere ihrer möglichen Zustände nebeneinander, wobei jedem dieser Zustände eines Teilsystems ein anderer Zustand der übrigen Teilsysteme zugeordnet ist. Um das Verhalten des Gesamtsystems richtig erklären zu können, muss man alle diese nebeneinander bestehenden Möglichkeiten zusammen betrachten. Dennoch zeigt jedes Teilsystem, wenn eine Messung an ihm durchgeführt wird, immer nur eine dieser Möglichkeiten, wobei die Wahrscheinlichkeit, dass gerade dieses Ergebnis auftritt, durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt ist. Messergebnisse an mehreren verschränkten Teilsystemen sind miteinander korreliert, das heißt, je nach dem Ergebnis der Messung an einem Teilsystem liegt für die möglichen Messergebnisse an den anderen Teilsystemen eine veränderte Wahrscheinlichkeitsverteilung vor. Diese durch Quantenverschränkung erzeugten Korrelationen werden auch als Quantenkorrelationen bezeichnet.
Überblick Verschränkte Zustände sind häufig. Ein verschränkter Zustand entsteht jedes Mal, wenn zwei Teilsysteme miteinander wechselwirken (z. B. miteinander kollidieren) und es danach verschiedene, aber aufeinander abgestimmte Möglichkeiten gibt, wie sie sich weiter verhalten (z. B., in welche Richtung sie nach dem Zusammenstoßen weiterfliegen). Alle diese Möglichkeiten haben nach der Quantenmechanik eine gewisse Wahrscheinlichkeit, mit der sie in entsprechend aufeinander abgestimmter Weise im Zustand des Gesamtsystems bis zum Moment der quantenmechanischen Messung vertreten sein müssen.
Die Verschränkung wird beendet, sobald man eines der Teilsysteme auf einen bestimmten seiner Zustände festlegt. Dann geht sofort auch ein anderes Teilsystem, das durch die Verschränkung mit dem ersten Teilsystem verknüpft war, in denjenigen Zustand über, der dem durch die Beobachtung festgestellten Zustand des ersten Teilsystems zugeordnet war. Der Zustand des Gesamtsystems zeigt dann keine Verschränkung mehr, denn beide Teilsysteme für sich betrachtet sind nun in einem je eigenen bestimmten Zustand.
Als weiteres Beispiel neben dem Zustand nach einem Stoßprozess sei der Grundzustand des Wasserstoffatoms genannt, in dem sich die Spins von Elektron und Proton zum Atomspin Null addieren. Die beteiligten Zustände der beiden Teilchen sind die, in denen sie ihren Spin parallel bzw. antiparallel zur z-Richtung ausgerichtet haben. Im Grundzustand des Atoms findet man für das Elektron wie für das Proton beide Zustände mit gleicher Wahrscheinlichkeit. Legt man durch eine Messung im Magnetfeld den Spin des Elektrons auf eine dieser Möglichkeiten fest, z. B. auf die (+z)-Richtung, dann erhält der Spin des Protons definitiv auch einen wohlbestimmten Zustand – und zwar den in (−z)-Richtung, was durch eine nachfolgende Messung am Proton bestätigt werden kann. Der Zustand des Atoms ist danach aber ein anderer, nicht verschränkter Zustand, der wiederum als eine Überlagerung der beiden verschränkten Zustände mit Atomspin Null und Eins, jeweils mit gleicher Amplitude, dargestellt werden kann.
Das heißt, dass die Messergebnisse für jedes einzelne Teilsystem nicht festliegen, aber korreliert sind, wenn man ein verschränktes System in einem gegebenen Zustand hat und durch gleichzeitige Messungen an mehreren Teilsystemen deren Zustand feststellt. Die Unbestimmtheit der Zustände der verschränkten Teilsysteme vor der Beobachtung zusammen mit diesen Korrelationen zwischen den zusammengehörigen Beobachtungsergebnissen stellt eines der größten Probleme für das Verständnis der Quantenphysik dar. Albert Einstein, der dies im Jahr 1935 als Erster in einem Gedankenexperiment theoretisch klar herausarbeitete (siehe EPR-Paradoxon), schloss daraus, dass die Quantenmechanik noch kein zutreffendes Bild von der physikalischen Realität geben könne, denn an eine – so wörtlich – „spukhafte Fernwirkung“, mit der die Messung an einem Teilsystem das Ergebnis der Messung am anderen beeinflussen könnte, um die Korrelationen zu erzeugen, wollte er nicht glauben.
Erklärungsansätze Die durch Verschränkung verursachten Korrelationen sind mittlerweile durch viele Experimente nachgewiesen. Sie sind unabhängig davon, wie weit die Orte, an denen die Messungen an den Teilsystemen vorgenommen werden, voneinander entfernt sind und in welchem zeitlichen Abstand die Messungen erfolgen. Das gilt auch dann, wenn die Messungen so weit voneinander entfernt sind und so schnell nacheinander (oder sogar gleichzeitig) durchgeführt werden, dass das Messergebnis an einem Teilchen den Zustand des anderen auf keinem physikalischen Weg beeinflusst haben kann. Bei bestimmten Experimenten sind die Korrelationen so stark, dass sie prinzipiell von keiner Theorie erklärt werden können, die wie die klassische Physik auf dem physikalischen Prinzip des „lokalen Realismus“ aufbaut – das heißt darauf, dass jedes Teilsystem immer einen wohldefinierten Zustand hat, auf den ein anderes räumlich entferntes Teilsystem nur mit Lichtgeschwindigkeit einwirken kann. Damit wird nach der Bellschen Ungleichung auch ausgeschlossen, dass eine solche lokal-realistische Theorie mit hypothetischen zusätzlichen verborgenen Variablen das Phänomen der Quantenkorrelation beschreiben könnte.
Die Tatsache, dass die Verschränkung (im Gegensatz zur klassischen Physik) keine lokal-realistische Interpretation zulässt, bedeutet, dass entweder die Lokalität aufgegeben werden muss (etwa wenn man der nichtlokalen Wellenfunktion selbst einen realen Charakter zubilligt – das geschieht insbesondere in Kollapstheorien, in der Viele-Welten-Interpretation oder der De-Broglie-Bohm-Theorie) oder das Konzept einer mikroskopischen Realität – oder aber beides.Streng genommen gibt es noch eine dritte Möglichkeit, nämlich eine deterministische und lokal-realistische Theorie, in der aber aufgrund spezieller Anfangsbedingungen alles, insbesondere auch jede Messeinstellung in Bell-Experimenten durch die lokal-realistischen Variablen so vorherbestimmt ist, dass die Bell-Ungleichung verletzt wird. Dieser (kaum verfolgte) Ansatz geht auf John Bell zurück und wird als Superdeterminismus bezeichnet, vgl. z. B. Bells ursprünglich unveröffentlichter Aufsatz von 1975 erschien später in Am radikalsten wird diese Abkehr vom klassischen Realismus in der Kopenhagener Deutung vertreten; nach dieser Interpretation, die bei den Physikern seit Jahrzehnten als Standard gilt, ist die Quantenmechanik nicht „realistisch“ (da eine Messung nicht einen Zustand feststellt, wie er vor der Messung vorlag, sondern den Zustand präpariert, der nach der Messung vorliegt) und im engeren Sinne auch nicht „lokal“ (weil der Zustand die Wahrscheinlichkeitsamplituden für alle Orte im Raum gleichzeitig festlegt, zum Beispiel durch die Wellenfunktion ).
Geschichte Die Verschränkung und ihre Folgen gehören zu denjenigen Konsequenzen der Quantenmechanik, die zum klassischen (Alltags-)Verständnis besonders deutlich im Widerspruch stehen, und haben damit den meisten Widerstand gegen diese Theorie als Ganze hervorgerufen. Auf das Phänomen hat unter der Bezeichnung „Wahrscheinlichkeitsabhängigkeiten“ J. v. Neumann im Jahr 1932 aufmerksam gemacht.J. v. Neumann: Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik. Springer (1932, 1968, 1996), S. 227. im Kapitel: Der Meßprozeß S. 222–237 In: Springer Book Archive Online Die Bezeichnung als Verschränkung wurde 1935 von Erwin Schrödinger eingeführt.Schrödinger, E.: Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik, The Science of Nature, Springer Jg. 23 (1935), S. 807–812, S. 823–828, S. 844–849. Erste Erwähnung S. 827. Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen formulierten 1935 den EPR-Effekt, nach dem die Quantenverschränkung zur Verletzung des klassischen Prinzips des lokalen Realismus führen würde, was von Einstein in einem berühmten Zitat als „spukhafte Fernwirkung[en]“ bezeichnet wurde. Jedoch konnten die Vorhersagen der Quantenmechanik durch Experimente höchst erfolgreich belegt werden.Casey Blood: A primer on quantum mechanics and its interpretations. In: Quantum Physics (quant-ph) 2010Cole Miller: Principles of Quantum Mechanics. (PDF; 51,5 kB). Abgerufen am 19. Dezember 2021.
Viele Wissenschaftler führten dies irrtümlicherweise auf noch unbekannte, deterministische „verborgene Variablen“ zurück, die sowohl dem lokalen Realismus unterworfen seien als auch alle Quantenphänomene erklären könnten. Doch 1964 zeigte John Stewart Bell theoretisch, dass man diese Frage anhand der Bellschen Ungleichung experimentell entscheiden kann. Korrelationen durch Quantenverschränkung können stärker sein als mit einer beliebigen lokal-realistischen Theorie mit verborgenen Variablen zu erklären wäre. Dies wurde durch Experimente bestätigt, sodass die Quantenverschränkung heute als physikalisches Phänomen allgemein (außer von wenigen Abweichlern) anerkannt ist. Stuart J. Freedman und John Clauser waren 1972 die ersten, die einen Bell-Test ausführten. 1982 folgte der Bell-Test von Alain Aspect, der Clausers Experiment weiter entwickelte, indem er verschränkte Photonen durch zwei verschiedene Polarisierer leitete, und damit die Messmöglichkeiten verbesserte. Ein Team um Anton Zeilinger in Innsbruck führte 1999 experimentelle Messungen mit verschränkten Photonen durch. In einem parallelen Experiment gelang es der französischen Arbeitsgruppe um Serge Haroche an der École normale supérieure in Paris, erstmals auch die Verschränkung von Atomen nachzuweisen.Anton Zeilinger: Physik der Quanteninformation In: Spektrum der Wissenschaft 1. Februar 1999 Online Aspect, Clauser und Zeilinger erhielten 2022 für ihre Arbeiten den Nobelpreis für Physik.Nadja Podbregar: Physik-Nobelpreis für Erforscher der Quantenverschränkung scinexx.de 4. Oktober 2022 Online abgerufen am 13. Mai 2024
Von Bell stammt auch die Veranschaulichung von Verschränkung und EPR-Effekt anhand des Vergleichs mit „Bertlmanns Socken“.Reinhold Bertlmann: Wie die Quantenphysik auf die Socken kam ORF 25. Juli 2014
2008 wurde von der Gruppe um Nicolas Gisin in einem Experiment überdies eine untere Grenze für die Geschwindigkeit einer angenommenen „spukhaften Fernwirkung“ gesetzt: Um die Messergebnisse durch eine von dem einen gemessenen Photon zum anderen propagierende Wirkung zu erklären, müsste sich diese mit wenigstens 10.000-facher Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.Daniel Salart, Augustin Baas, Cyril Branciard, Nicolas Gisin, Hugo Zbinden: Testing the speed of ‘spooky action at a distance’. In: Nature. 454, 2008, S. 861–864 (Abstract). PDF Eine solche Kommunikation würde der Grenzgeschwindigkeit des Lichts in der speziellen Relativitätstheorie eklatant widersprechen und unter anderem bedeuten, dass Zeitschleifen möglich wären.
Keine überlichtschnelle Informationsübertragung Die Korrelationen durch Verschränkung verletzen nicht die Relativitätstheorie. Zwar liegt immer die Interpretation nahe, die Korrelationen könnten nur durch eine überlichtschnelle Wechselwirkung der verschränkten Teilsysteme zustande kommen. Es handelt sich aber nicht um eine Wechselwirkung, denn hierbei kann keine Information übertragen werden. Die Kausalität ist somit nicht verletzt. Dafür gibt es folgende Gründe: Quantenmechanische Messungen sind probabilistisch, das heißt nicht streng kausal.