Quantenverschränkung live auf Kamera
Neuartiges Aufnahmeverfahren zeigt, wie sich Messung an einem Photon auf seinen verschränkten Partner auswirkt.
Die intuitiv schwer nachvollziehbaren Folgen der Quantenverschränkung konnten Forscher aus Wien um Anton Zeilinger nun erstmals direkt mit einer Kamera festgehalten. In Experimenten erzeugten sie mittels einer kürzlich entwickelten Methode Paare verschränkter Photonen. Eines der beiden Teilchen war so gewählt, dass ein komplexes räumliches Muster entstand, wenn eine große Zahl von Photonen mit Hilfe einer hochsensitiven Kamera aufgenommen wurde – vorausgesetzt, dass diese jeweils zum richtigen Zeitpunkt auslöste. Als Startsignal zur Echtzeitaufnahme diente das zweite Photon, welches eine herkömmliche Messapparatur detektierte. „In diesem Experiment ist es erstmals möglich, Einsteins spukhafte Fernwirkung anschaulich in Echtzeit zu sehen“, sagt Zeilinger.
Abb.: Aufnahme einer Lichtmode, zusammengesetzt aus vielen einzelnen Lichtteilchen, dargestellt als weiße Punkte. (Bild: R. Fickler, IQOQI)
Das mit der Kamera aufgenommene Photon musste erst mehr als 35 Meter durch eine Glasfaser zurücklegen. Dort angekommen, hing das beobachtete Muster jedoch davon ab, was genau mit dem ersten Teilchen geschehen war. „Die Einstellung der Messapparatur für das erste Teilchen bestimmt, wie das Muster aussieht, welches das zweite Teilchen auf der Kamera hinterlässt, und dies, obwohl die beiden Messgeräte unabhängig voneinander sind und verschiedene Photonen messen, die deutlich räumlich voneinander getrennt sind", erklärt Robert Fickler, Erstautor der Arbeit. Das Startsignal enthielt keine Information darüber, wie genau das erste Photon gemessen wurde, und auch sonst hat die Kamera keine Auskunft über die Einstellungen der anderen Messapparatur. Trotzdem hing das von der Kamera gemessene Muster von der vorhergehenden Messung am ersten Photon ab – genau, wie die Quantentheorie es voraussagt.
Video: Real-Time Imaging of Quantum Entanglement. (IQOQI)
Mit diesem Experiment wird die durch die Quantenverschränkung vermittelte Fernwirkung erstmals direkt sichtbar, nicht nur in abstrakten Zahlenwerten, sondern in anschaulichen Bildern. Gleichzeitig sind diese Versuche aber mehr als ein Demonstrationsexperiment. Die neu entwickelte Methode ermöglicht es, komplexe Lichtstrukturen schnell und effizient zu detektieren. Dies könnte neue Perspektiven für zukünftige Anwendungen eröffnen, sagt Zeilinger: „Die hohe zeitliche und örtliche Auflösung, mit der wir Quanteneffekte messen können, bietet neue experimentelle Möglichkeiten in den Gebieten der Quantenoptik und der Quantentechnologien, etwa im Bereich der Quanteninformatik oder der Quantenkryptographie.“
U. Wien / PH
