06.07.2018

Verschränkungen in ultrakalten Atomwolken

Nachweis nichtlokaler Korrelationen in Wolken von Rubidium-Atomen gelungen.

Als verschränkt oder auch quantenkorreliert wird der Zustand eines Systems bezeichnet, bei dem sich zwei oder mehr Teilchen nicht mehr als Kombina­tion jeweils unab­hän­giger Zustände beschreiben lassen, sondern nur durch einen gemein­samen Zustand. Wissen­schaftlern der Uni Heidel­berg ist es jetzt gelungen, nicht­lokale Quanten­korre­la­tionen zwischen ultra­kalten Wolken von Rubidium-Atomen nach­zu­weisen. Damit konnten die Forscher wichtige neue Erkennt­nisse zur Charak­terisie­rung von quanten­mecha­nischen Viel­teil­chen­systemen gewinnen.

Abb.: Schematische Darstellung der experi­men­tellen Imple­men­tie­rung: Eine zigarren­förmige Wolke von Rubidium-Atomen (blaue Punkte) wird auf ultra­kalte Tempe­ra­turen gekühlt. Durch Stöße zwischen den Atomen bauen sich Quanten­korre­la­tionen auf (gelbe Ver­bin­dungen). Die Atom­wolke wird schließ­lich mit­hilfe von Laser­licht auf eine Kamera ab­ge­bildet. Durch die hohe räum­liche Auf­lösung der Kamera können Korre­la­tionen zwischen ver­schie­denen Teilen (A und B) des Kon­den­sats, ins­be­son­dere deren quanten­mecha­nischer Charakter, nach­ge­wiesen werden. (Bild: P. Kunkel, RKU)

Die Heisenbergschen Unschärferelation besagt, dass zwei Eigen­schaften eines Objekts wie Ort und Geschwin­dig­keit nie gleich­zeitig exakt bestimmt sein können. In quanten­mecha­nischen Systemen lassen sich jedoch zwei Teil­chen so präpa­rieren, dass die Orts­bestim­mung eines Teil­chens es möglich macht, die Posit­ion des zweiten exakt vor­her­zu­sagen. Genauso erlaubt die Geschwin­dig­keits­messung des einen Teil­chens die Vor­her­sage der Geschwin­dig­keit des anderen. „In diesem Fall müssen sowohl Ort als auch Geschwin­dig­keit von Teil­chen 2 schon vor der Messung exakt bestimmt sein“, erläutert Markus Ober­thaler von der Uni Heidel­berg. „Das Mess­ergeb­nis an Teil­chen 1 kann nicht sofort am Ort von Teil­chen 2 vor­liegen, wenn beide räum­lich von­ein­ander getrennt sind.“

Diese gleichzeitige Bestimmtheit von Ort und Geschwindigkeit ist aber durch die Unschärfe­rela­tion eigent­lich nicht möglich. Der schein­bare Wider­spruch löst sich dadurch auf, dass in der quanten­mecha­nischen Beschrei­bung nicht von zwei getrennten Objekten gesprochen werden kann, wenn diese ver­schränkt sind. „Wenn wir nach­weisen können, dass sich Mess­ergeb­nisse ver­schie­dener Beob­achtungs­größen in einem System durch Messungen an einem zweiten, ent­fernten System tat­säch­lich vor­her­sagen lassen, dann können wir diesen Nach­weis ver­wenden, um auch eine Ver­schrän­kung zu belegen – und genau das haben wir in unserem Experi­ment gezeigt“, so Philipp Kunkel von der Uni Heidel­berg.

In ihrem Experiment benutzten die Forscher eine Wolke von etwa 11.000 Rubidium-Atomen, die sie auf extrem niedrige Tempe­ra­turen kühlten und mit Laser­licht in einer Vakuum­kammer in der Schwebe hielten. Damit sollten jegliche Stör­effekte wie zum Beispiel Stöße mit Luft­mole­külen aus­ge­schlossen werden. Die Arbeit mit ultra­kalten Atomen ist erfor­der­lich, da Quanten­effekte erst bei sehr nied­rigen Tempera­turen nach­weis­bar werden. Unter diesen extremen Bedin­gungen ist es zudem möglich, ver­gleich­bar zu Ort und Geschwin­dig­keit den Spin der Teil­chen zu messen. „So konnten wir den Spin in der einen Hälfte der Wolke durch eine Messung an der anderen Hälfte genauer vorher­sagen, als es die lokale Unschärfe­rela­tion erlauben würde“, erklärt Kunkel. Die Charak­teri­sie­rung von quanten­mecha­nischen Viel­teil­chen­systemen ist unter anderem von Bedeu­tung für künftige Anwen­dungen wie Quanten­computer oder die Quanten­kommu­ni­ka­tion.

RKU / RK

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