Quantenphysiker widerlegen Annahmen der klassischen Physik
Künstlerische Darstellung des Experiments, in dem zwei eingefangene Atome über eine Entfernung von 400 Metern verschränkt und gemessen werden.
Quelle: Wenjamin Rosenfeld
München (Deutschland) – Bei der Verschränkung zweier Rubidium-Atome über eine Distanz von 400 Metern und der exakten Bestimmung haben Münchner Quantenphysiker die sog. Bellsche Ungleichung und damit Annahmen der klassischen Physik widerlegt und stellen in ihrem dazugehörigen Fachartikel fest: „Die Natur ist anders, als wir sie mit unseren fünf Sinnen wahrnehmen.“
Wie das Team um Professor Harald Weinfurter und Dr. Wenjamin Rosenfeld Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) aktuell im Fachjournal „Physical Review Letters“ (DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.010402) berichten, wurde die Bellsche Ungleichung in den 1960er-Jahren von dem Physiker John Bell aufgestellt und erlaubt es, die Gültigkeit von grundlegenden Annahmen der klassischen Physik gegenüber jenen der Quantenphysik experimentell zu überprüfen: „Während in der klassischen Physik die Eigenschaften eines Objekts völlig unabhängig von seiner Beobachtung sind, gelten im Bereich der Quanten andere Gesetze: Hier können zwei Teilchen, die weit voneinander entfernt sind, in Beziehung zueinander stehen, und ihre Eigenschaften erst durch die Messung entstehen“, erläutert die LMU-Pressemeldung.
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In ihren Experimenten haben die Quantenphysiker zwei Rubidium-Atome über eine Entfernung von 400 Metern miteinander verschränkt und danach deren Zustand bestimmt. „Wir haben zwei Beobachter-Stationen mit völlig unabhängig arbeitenden experimentellen Anordnungen, eigenen Kontroll- und Laser-Systemen“, erläutert der Projektleiter Rosenfeld. „Dank dieser Unabhängigkeit und der großen Entfernung kann jegliche gegenseitige Beeinflussung der beiden Messungen ausgeschlossen werden. Andernfalls wäre eine klassische Beschreibung des Experiments möglich („Lokalitäts-Schlupfloch“).“
Um die Atome trotz der großen Entfernung verschränken zu können, verschränken die Forscher jedes Atom zuerst mit einem Photon. Diese Photonen können die Entfernung über Glasfasern problemlos überwinden und werden dann an einem Ort zur Interferenz gebracht. „Die gleichzeitige Messung der interferierten Photonen signalisiert, dass die beiden Atome verschränkt sind“, so Harald Weinfurter.
Die Verschränkung von zwei Teilchen impliziere, dass ihre Eigenschaften eng korreliert sind: „Abhängig von der Art der Verschränkung heißt das für die beiden gespeicherten Rubidium-Atome, dass ihre Spins entweder in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung zeigen.“
In ihrer achttägigen Messreihe sammelten die Wissenschaftler nun die Daten von 10.000 solchen Ereignissen. Die Auswertung ergab, dass wesentlich mehr Atome im gleichen (beziehungsweise ungleichen) Zustand waren, als es durch klassische Statistik beschreibbar wäre.
„Die Bestimmung des Spin-Zustands der beiden Atome erfolgte in dem Experiment sehr schnell und effizient“, erläutert Rosenfeld. Damit sei zugleich auch ein weiteres potentielles Schlupfloch, wonach eine beobachtete Verletzung der Bellschen Ungleichung auf unvollständige Detektion zurückzuführen sei, geschlossen.
„Die Messergebnisse sind zum einen von grundsätzlicher Bedeutung für das Verständnis der Naturgesetze.“ Die Wissenschaftler sehen in der Methode aber auch eine Möglichkeit, Nachrichten abhörsicher zu verschlüsseln. Für Anwendungen in der Quantenkryptographie aber müsse die Qualität der Messungen muss noch gesteigert werden, so Weinfurter und führt abschließend weiter aus: „Darüber hinaus könnte das System auch als Bauelement die effiziente Übermittlung von Quanteninformation und damit auch die sichere Kommunikation über große Entfernungen ermöglichen.“
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