Sonderbarer als Verschränkung

Wissen­schaftler am Max-Planck-Institut für Quanten­optik, dem Institute of Photonic Sciences ICFO in Barcelona, der Univer­sität Innsbruck und dem Center for Theo­retical Physics der polnischen Akademie der Wissen­schaften haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie zeigen können, dass niedrige Energie­zustände von Systemen aus mit einem Spin charak­terisierten Teilchen wie zum Beispiel Elektronen nicht­lokalen Korre­lationen aufweisen können. Nicht­lokale Korre­lationen sind ein Quanten­phänomen, das eine noch stärkere Form von Wechsel­beziehung darstellt als Quanten­verschränkung.

Klas­sische Korre­lationen sind Teil unserer Alltags­erfahrung. Wenn zum Beispiel jemand ein Paar Socken immer der gleichen Form und Farbe anzieht, kann darüber auch die Form und Farbe des zweiten Sockens bestimmt werden. Zudem können die Form und Farbe eines Sockens gleich­zeitig beobachten werden, und dies verrät auch die Form und Farbe des anderen Sockens. Verschränkte Zustände, die typische Form von Quanten­korrelationen, trotzen diesem Grund­prinzip: Wenn die Socken verschränkt wären, könnten wir durch die Beo­bachtung der Farbe eines Sockens jene des anderen Sockens vorher­sagen. Wenn wir aber gleich­zeitig auch dessen Form fest­stellen, würde das die Farbe „stören“ und damit wäre es voll­kommen unmöglich, die Farbe des anderen Sockens vorher­zusagen. Diese Koor­dination zwischen Teilchen ist als Quanten­verschränkung bekannt und ist eines der wesent­lichen Merkmale der Quanten­welt.

Einige ver­schränkte Zustände zeigen eine noch sonder­barere Form von Korre­lationen, nämlich nicht­lokale Korrelationen. Diese verletzen zwei scheinbar ver­nünftige Prinzipien: Erstens, dass die Eigen­schaften von Objekten wie Form oder Farbe unab­hängig von unserem Wissen über sie existieren, und zweitens, dass sich Infor­mationen nicht instantan verbreiten können. Diese faszi­nierende Form der nicht­lokalen Korre­lationen ist in Viel­teilchen­systemen nur sehr schwer zu charak­terisieren.

Dafür gibt es mindes­tens drei Gründe: Erstens ist das Studium der klas­sischen Korre­lationen mathe­matisch sehr komplex; zweitens sind Quanten­vielteilchen­systeme aufgrund ihres exponen­tiellen Charakters sehr schwer zu beschreiben; und drittens sind die derzeit verfüg­baren experimen­tellen Techniken eher begrenzt, was die Möglich­keit von Messungen im Labor sehr ein­schränkt. Um die Rolle von nicht­lokalen Korre­lationen in Quanten­vielteilchen­systemen zu erforschen, müssen diese drei Probleme gleich­zeitig in Angriff genommen werden.

Das inter­nationale Forscher­team präsen­tierte nun einen neuen, einfachen Test auf die Existenz nicht­lokaler Korre­lationen in Quanten­vielteilchen­systemen. Die Methode ermöglicht den Forschern zu ermitteln, ob nicht­lokale Korre­lationen in natür­lichen Systemen auftreten. Genauer gesagt, unter­suchten sie dazu die Grund­zustände von Systemen aus Teil­chen mit Spin-Freiheits­graden, wie etwa Elektronen, in einer räum­lichen Dimension. Durch Kombi­nation von nume­rischen und analy­tischen Ergeb­nissen fanden sie heraus, dass einige dieser Systeme, die von Physikern seit mehreren Jahr­zehnten erforscht werden, einen Zustand mini­maler Energie im Idealfall der Grund­zustand haben, der nicht­lokale Korre­lationen auf­weisen kann. „Diese Forschung wirft neues Licht auf ein faszi­nierendes Problem in der Physik und wird hoffent­lich die weitere Ent­wicklung unseres Verständ­nisses von Nicht­lokalität in Quanten­vielteilchen­systemen anspornen“, sagen Jordi Tura vom Max-Planck-Institut für Quanten­optik und Gemma De las Cuevas vom Institut für Theore­tische Physik der Uni­versität Innsbruck.

MPQ / JOL