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Quantenspalt aus einem Atom: Physiker schließen Lücke im Einstein-Bohr-Streit


Fast ein Jahrhundert nach der legendären Debatte zwischen Albert Einstein und Niels Bohr hat ein Team um Jian-Wei Pan von der University of Science and Technology of China das berühmte „recoiling-slit“-Gedankenexperiment in einer besonders originalgetreuen Form ins Labor gebracht. Die in der Dezemberausgabe der Physical Review Letters veröffentlichte Arbeit (eine Vorabversion ist auf arXiv.org verfügbar) schließt damit eine klar definierte Lücke: Erstmals wurde ein linear-optisches Einzelphotonen-Interferometer mit einem quantenlimitierten, durchstimmbaren „beweglichen Spalt“ realisiert – so nah an Einsteins ursprünglicher Idee wie nie zuvor.

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Richard Feynman nannte das Doppelspaltexperiment einst „das Herz der Quantenmechanik“ und „in Wirklichkeit das einzige Rätsel“. Schickt man einzelne Teilchen durch zwei schmale Spalte, schlagen sie punktförmig ein, wie klassische Teilchen – doch über viele Durchgänge entsteht ein Interferenzmuster, als wäre jedes Teilchen eine Welle, die durch beide Spalte gleichzeitig geht und mit sich selbst interferiert. Sobald man jedoch versucht herauszufinden, welchen Weg das Teilchen genommen hat, verschwindet das Interferenzmuster. Diese Komplementarität – Wellen- oder Teilcheneigenschaften, aber nie beides gleichzeitig – war Ausgangspunkt der berühmten Bohr-Einstein-Debatten auf der Solvay-Konferenz 1927.

Einstein schlug damals ein Gedankenexperiment vor, das die Komplementarität aushebeln sollte: Ein „beweglicher Spalt“ auf empfindlichen Federn sollte den Rückstoß registrieren, wenn ein Photon ihn passiert und dabei abgelenkt wird. Aus dem Rückstoß ließe sich der Photonenweg bestimmen – und trotzdem sollte das Interferenzmuster erhalten bleiben. Bohr konterte mit der Heisenbergschen Unschärferelation: Will man den Impuls des Spalts präzise genug messen, wird dessen Ortsunschärfe so groß, dass sie das Interferenzmuster verwischt.


Versuchsaufbau

Versuchsaufbau

Der experimentelle Aufbau:

Ein einzelnes 87Rb-Atom wird mit einer Objektivlinse mit einer numerischen Apertur von 0,55 in einer optischen Pinzette eingefangen. Eine weitere Objektivlinse sammelt gestreute Photonen in einer Einmodenfaser, die von Einzelphotonen-Zählmodulen (SPCMs) detektiert werden. Das optische System ist phasenverriegelt mit einem 1064-nm-Referenzlaser, der durch einen maßgeschneiderten dichroitischen Strahlteiler in zwei Strahlen aufgeteilt wird.

(Bild: Pan et al. / Bearbeitung heise medien)

Zwar gab es bereits experimentelle Annäherungen an dieses Gedankenexperiment – etwa mit Molekülen und Röntgenstrahlung oder als theoretischer Ionenfallen-Vorschlag. Doch diese Ansätze zerstörten entweder den Photonenzustand, nutzten zusätzliche Freiheitsgrade oder stellten kein echtes linear-optisches Interferometer dar.

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Das chinesische Team hat nun einen konzeptionell „puristischen“ Aufbau realisiert: Ein einzelnes, auf den Bewegungsgrundzustand heruntergekühltes Atom des Radioisotops Rubidium-87 in einer optischen Pinzette dient als beweglicher Spalt. Ein Photon wird daran gestreut, ohne absorbiert zu werden, und das gestreute Licht interferiert anschließend. Entscheidend ist, dass weder interne Atomzustände noch thermische Bewegung zusätzliche Weginformation liefern – das Atom fungiert als nahezu idealer quantenmechanischer Strahlteiler.

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Zur Diskussion zwischen Einstein und Bohr und deren Auswirkung auf die Interpretation der Quantenphysik hat Veritasium einen hervorragenden Beitrag veröffentlicht (Englisch).

Durch Variation der Fallentiefe der optischen Pinzette lässt sich die Impulsunschärfe des Atoms zwischen 0,78 und 1,60 Photonenimpulsen einstellen und damit die Interferenzsichtbarkeit systematisch steuern. Bei geringer Fallentiefe enthält der atomare Rückstoß viel Information über den Photonenweg – Photon und Atom sind stark verschränkt, die Interferenz verschwindet. Bei tiefer Falle „verschwindet“ der Rückstoß in den Quantenfluktuationen, die Interferenz bleibt erhalten. Die gemessenen Sichtbarkeiten folgen präzise der theoretischen Vorhersage für minimale Heisenberg-Unschärfe.

Zudem konnten die Forscher quantenmechanisches Rauschen von klassischer Aufheizung trennen und so den Übergang vom quantenlimitierten zum klassisch dominierten Regime direkt beobachten – eine experimentelle Bestätigung von Bohrs Position.

Physikalisch revolutionär ist das Ergebnis nicht – die Verbindung zwischen Sichtbarkeit, Verschränkung und Komplementarität war theoretisch längst geklärt. Doch in dieser spezifischen Kombination aus Einzelphotonen-Interferometer, quantenlimitiertem Atom als beweglichem Spalt und optisch einstellbarer Impulsunschärfe gibt es kein direktes Vorbild. Es dürfte aber die bisher „sauberste Lehrbuch-Version“ von Einsteins Gedankenexperiment sein.


(vza)



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Sam Altman: „Rechenzentren im All sind lächerlich“


Im Rahmen des „India AI Impact Summit“ in Delhi gab OpenAI-Mitbegründer und CEO der Tageszeitung „The Indian Express“ eines seiner seltenen ausführlichen Interviews. Dabei waren auch Fragen aus dem Publikum zugelassen. Davor gab es jedoch ein Gespräch mit dem Geschäftsführer des Express, Anant Goenka. Er fragte unter anderem nach der von Altmans Konkurrent Elon Musk propagierten Idee von Rechenzentren im Weltall.

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„Ganz ehrlich glaube ich, dass mit der gegenwärtigen Umgebung die Idee von Rechenzentren im All lächerlich ist.“ Wenn man nur die „einfachste Berechnung“ der Kosten des Transports ins All durchführe, zeige sich das. Und dann, so Altman, „Rede ja auch noch keiner davon, wie man eine kaputte GPU im All repariert. Und leider gehen die immer noch sehr oft kaputt.“ Es könne zwar sein, dass sich ein Rechenzentrum im Weltraum irgendwann rechnet, im laufenden Jahrzehnt sieht der OpenAI-Chef das jedoch noch nicht.

Weil schon auf der Erde die Infrastrukturkosten so hoch sind – Altman träumte einst von Billionen an Investitionen – sei auch eine enge Zusammenarbeit mit Regierungen für die KI-Branche nötig. Dabei sieht er zwar nach wie vor Konflikte, zu den Beziehungen auch mit der aktuellen US-Regierung sagt Altman jedoch: „Je besser sie sein kann, umso besser für uns alle.“ Auf dem Gipfel hatte er an anderer Stelle jedoch auch Regulierung gefordert.

Der Indian Express hat das gesamte Gespräch auch auf YouTube als Video veröffentlicht. Auf eine Frage an dieser Stelle nach den Kosten von KI für Training, insbesondere was Energie betrifft, ließ sich Altman zu einem merkwürdigen Vergleich hinreißen. Oft, so sagte er, werde eine Anfrage bei ChatGPT mit einer Anfrage bei einem Menschen verglichen. „Es braucht 20 Jahre Leben, und all das Essen, das man in dieser Zeit isst, bevor man schlau wird.“ Dazu komme noch die gesamte Evolution der Menschheit. Die bessere Frage sei, wieviel Kosten eine Anfrage bei einer KI gegenüber der bei einem Menschen an Energie benötige. „Und vielleicht hat KI da schon aufgeholt, wenn man die Energieeffizienz auf diese Art misst.“

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(nie)



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Hunderttausende Links: Wikipedia verbannt Archive.today nach Cyberangriff


Die Nachricht schlägt in der Community der Onlineenzyklopädie derzeit hohe Wellen: Die englischsprachige Wikipedia hat beschlossen, den Archivdienst Archive.today sowie alle zugehörigen Domains wie archive.is und archive.ph mit sofortiger Wirkung zu sperren. Oberflächlich wirkt das wie ein technischer Streit über die Verlinkung von Quellen. Doch bei näherem Hinsehen entpuppt sich der Schritt als handfester Digitalskandal um Rachefeldzüge, manipulierte Zeitzeugnisse und den Missbrauch von Nutzerhardware für Cyberangriffe.

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Hintergrund der Entscheidung ist ein Konflikt zwischen dem Betreiber von Archive.today und dem Blogger Jani Patokallio. Dieser hatte in seinem Webjournal Gyrovague.com über die verschleierte Identität der Hintermänner des Archivdienstes berichtet und dabei Verbindungen nach Russland sowie verschiedene Pseudonyme wie „Denis Petrov“ oder „Masha Rabinovich“ thematisiert. Die Reaktion des Betreibers von Archive.today sprengte jedoch jeden Rahmen einer üblichen Auseinandersetzung.

Wikipedia-Editoren stellten fest, dass Archive.today den Besuchern seiner Seite schädlichen Code unterjubelte. Über die Captcha-Abfragen des Dienstes wurde die Rechenkraft der ahnungslosen Nutzer gekapert, um eine Distributed-Denial-of-Service-Attacke (DDoS) gegen Patokallios Blog zu fahren. Ein solches Vorgehen verstößt fundamental gegen die Richtlinien der Wikimedia Foundation. Diese will ihre Leser nicht auf Webseiten schicken, die deren Computer für Angriffe missbrauchen.

Doch die Vorwürfe wiegen noch schwerer: Im Zuge der internen Untersuchungen entdeckten die Wikipedia-Autoren, dass Archive.today offenbar die Integrität seiner Snapshots korrumpiert hat. Beweise deuten darauf hin, dass der Betreiber gezielt Inhalte in archivierten Seiten veränderte, um Patokallio zu diskreditieren. So wurde etwa in archivierten Blogposts der Name einer anderen Person durch den Namen des verhassten Bloggers ersetzt.

Für ein Onlinelexikon, dessen Kernprinzip die Verifizierbarkeit und Belegbarkeit durch unveränderliche Quellen ist, stellen solche Vorgänge den Super-GAU dar. Wenn ein Archivdienst anfängt, die Geschichte nach eigenem Gutdünken umzuschreiben, verliert er seine Daseinsberechtigung als Referenzquelle.

In internen Diskussionen äußerten sich die Wikipedia-Editoren schockiert. Ein Archiv, das als neutraler Zeuge fungieren soll, dürfe nicht als Waffe in persönlichen Fehden eingesetzt werden. Befürworter von Archive.today hielten dagegen, der Service sei aufgrund seiner Fähigkeit, Paywalls zu umgehen, unverzichtbar. Doch dieses Argument verfing angesichts der Sicherheitsrisiken und der nachgewiesenen Manipulationen nicht mehr. Die Community kam zum Schluss, dass die Zuverlässigkeit der Quellen Vorrang vor der Bequemlichkeit beim Umgehen von Bezahlschranken hat.

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Die Dimension des Vorhabens ist gewaltig. Schätzungen zufolge finden sich auf rund 400.000 Wikipedia-Seiten mehr als 695.000 Links, die auf Archive.today verweisen. Sie sollen nun sukzessive entfernt oder durch sicherere Alternativen wie Internet Archive (archive.org) oder Ghostarchive ersetzt werden. An die Editoren ging der Appell, Links manuell zu prüfen und – sofern die Originalquelle noch online ist – den Archivlink komplett zu löschen oder auf seriöse Anbieter umzustellen. Dabei betonen die Wikipedianer ausdrücklich, dass das renommierte und in den USA ansässige Internet Archive in keiner Verbindung zu den Vorfällen rund um Archive.today steht.

Der Fall wirft auch ein Schlaglicht auf die intransparenten Strukturen hinter vielen „Grauzonendiensten“ im Netz. Archive.today galt jahrelang als nützliches Werkzeug für Journalisten und Faktenprüfer. Doch die Identität der Betreiber blieb stets im Dunkeln. Selbst das FBI soll bereits versucht haben, über den Registrar Tucows Informationen über die Hintermänner zu erzwingen – bislang ohne Erfolg.

Die nun bekannt gewordenen Drohungen gegen Patokallio, die laut Berichten sogar die Erstellung gefälschter Dating-Profile und KI-generierter Pornografie unter seinem Namen beinhalteten, unterstreichen das aggressive Gebaren der Macher der Seite.

Für Archive.today bedeutet die Verbannung aus dem Wikipedia-Universum einen schweren Reputationsverlust. Das Onlinelexikon selbst sieht das Einschreiten als schmerzhaften, aber notwendigen Reinigungsprozess an. Die Wikimedia Foundation erklärte vor wenigen Tagen, dass sie im Zweifel auch direkt eingreifen würde, falls die ehrenamtlichen Editoren keine Einigung erzielen sollten. Sie hielt die Sicherheit der User durch die infizierten Captcha-Seiten unmittelbar bedroht. Könnte dieser Vorfall nun die Geburtsstunde eines eigenen Wikimedia-Archivdienstes sein? Blogger Patokallio hofft zumindest genau darauf, wie er Ars Technica erklärte.


(nb)



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Ollee Watch im Test: Casio-Uhr zur Smartwatch aufrüsten


Dass eine Designer-Armbanduhr nicht teuer sein muss, beweist die Casio F-91W. Auch wenn das Produktkürzel Ihnen nichts sagen sollte, haben Sie diese Uhr bestimmt schon einmal gesehen: Schätzungsweise 120 Millionen Mal ging die kleine Plastikuhr seit 1989 über die Ladentheke. Kein Wunder, das Kultobjekt kostet ja auch nur knapp 20 Euro.

Trotz Funktionen wie Timer und Alarm ist sie allerdings alles andere als smart. Die Ollee Watch soll das ändern. Mit der Platine erweitern Casio-Träger das Innenleben ihrer Lieblingsuhr um Funktionen einer Smartwatch – Schrittzähler, Pulsmesser, App-Verbindung via Bluetooth. Die Ollee Watch ist aber nicht nur mit Casios Bestseller kompatibel, sondern auch mit weiteren Modellen.

  • Die rund 20 Euro teure Casio F91-W gehört zu den weltweit meistverkauften Armbanduhren – obwohl sie keine smarten Funktionen hat.
  • Der DIY-Bausatz „Ollee Watch“ rüstet Bluetooth, Schrittzähler und Pulsmesser nach, weitere Funktionen sollen per Softwareupdate folgen.
  • Ob Sie für den Einbau das Feingefühl eines Uhrmachers benötigen oder lieber zum Fertig-Set greifen, erklären wir im Test.

Ob F-91W und Co. damit zu einer ernsthaften Konkurrenz für die Apple Watch werden, finden wir in diesem Test heraus. Dafür haben wir die Messwerte der rund 50 Euro teuren Ollee Watch mit dem Marktführer von Apple verglichen. Wir erläutern die „smarten“ Funktionen der Ollee Watch und beschreiben den Umbauvorgang.


Das war die Leseprobe unseres heise-Plus-Artikels „Ollee Watch im Test: Casio-Uhr zur Smartwatch aufrüsten“.
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