Schrödingers Ameisenhaufen
Erstmals ein hoher Grad an Quantenverschränkung in einem zentimetergroßen Kristall eines seltsamen Metalls nachgewiesen.
Viele Quanteneffekte lassen sich nur detektieren, wenn man eine kleine Zahl von Teilchen untersucht – etwa einzelne Atome, Moleküle oder Photonen, gut abgeschirmt vom Rest der Welt. Doch was ist mit größeren Objekten, die aus unvorstellbar vielen Teilchen bestehen? Können besonders spannende Effekte der Quantenphysik auch auf sie übertragen werden? Dass das möglich ist, zeigt nun ein Experiment der TU Wien: Ein zentimetergroßer Kristall eines „Strange Metals“ wurde untersucht – und dabei gelang es, einen hohen Grad an Quantenverschränkung nachzuweisen. Möglich wurde das mit einer Methode aus der Quanteninformationstheorie, der Quanten-Fisher-Information. Sie schlägt eine Brücke zwischen Festkörperphysik und Quantenphysik und ermöglicht es, Verschränkung in makroskopischen Materialien zu quantifizieren.
Die Frage, ob man die merkwürdigen Aussagen der Quantentheorie auch auf große, makroskopische Objekte übertragen kann, ist fast so alt wie die Quantentheorie selbst: Schon Erwin Schrödinger dachte darüber nach, ob eine Katze gleichzeitig tot und lebendig sein kann. In vielen Experimenten versuchte man seither, Quanteneffekte in immer größeren Systemen gezielt zu erzeugen.
„Unser Ansatz ist ein anderer“, sagt Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Wir bringen nicht den Kristall selbst in eine Überlagerung zweier Zustände, sondern testen, ob sich seine mikroskopischen Bestandteile koordiniert in einen solchen Zustand begeben können.“ Das Experiment ähnelt daher weniger Schrödingers Katze als vielmehr einem Ameisenhaufen: Wenn man ihn stört, reagiert nicht eine einzelne Ameise, sondern das ganze Ameisenvolk, als Kollektiv.
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Die theoretische Grundlage dafür wurde von Peter Zoller geschaffen: Mit seinem Team zeigte er, dass sich das Konzept der „Quanten-Fisher-Information“ nutzen lässt, um Quantenverschränkung in großen Systemen nachzuweisen. „Die Quanten-Fisher-Information misst, wie empfindlich ein Quantensystem auf eine Veränderung reagiert“, erklärt Bühler-Paschen. „Wenn Verschränkung vorliegt, ist die Antwort viel größer als bei unabhängigen Teilchen: Das Kollektiv reagiert stärker als die Summe der einzelnen Teile. Wenn man also misst, wie groß die Reaktion ist, kann man daraus ableiten, wie hoch der Grad der Verschränkung ist.“
Das Team der TU Wien erzeugte einen Kristall aus Cer, Palladium und Silizium – ein „Strange Metal“, von dem man bereits wusste, dass es hochinteressante, in großen Teilen aber noch rätselhafte Quanteneigenschaften zeigt. Am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble beschoss Doktorand Federico Mazza diesen Kristall mit Neutronen. Gemessen wurde, auf welche Weise das Material auf die Neutronen reagiert.
„Normalerweise würde man erwarten, dass jedes Neutron mit einem einzelnen Teilchen aus dem Material wechselwirkt und seine Energie auf dieses überträgt“, sagt Mazza. „Doch mit Hilfe der Quanten-Fisher-Information konnten wir zeigen, dass die Antwort nicht die eines einzelnen Teilchens ist, sondern die eines Teilchen-Kollektivs. Mindestens neun quantenverschränkte Teilchen scheinen auf ein Neutron zu reagieren.“
Das ist ein direkter Nachweis von Mehrteilchen-Quantenverschränkung in einem Festkörper, einem makroskopischen Objekt, das man bequem in die Hand nehmen kann. „Die Ergebnisse sind für uns ein großer Erfolg“, sagt Bühler-Paschen. „Sie bestätigen unseren neuartigen Zugang, mit Methoden aus der Quanteninformation neue Materialien zu untersuchen.“ Das nächste Ziel ist auch bereits gesteckt: „Der Wissenstransfer soll in Zukunft auch von der Festkörperphysik in die Quanteninformationstechnologie laufen: Wir wollen herausfinden, ob Strange Metals eines Tages auch für Quanten-Anwendungen eingesetzt werden können, etwa für hochpräzise Messungen in der Quantenmetrologie.“ [TU Wien / dre]
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