27.04.2018

Vielfach verschränkte Atomwolke

Spinmessungen an Bose-Einstein-Kondensat zeigen Vielteilchen-Verschränkung an unterschiedlichen Orten.

Physiker der Universität Basel haben das quanten­mechanische Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon erstmals in einem System aus mehreren hundert miteinander wechsel­wirkenden Atomen beobachtet. Das Phänomen geht auf ein berühmtes Gedanken­experiment aus dem Jahr 1935 zurück. Es erlaubt, präzise Vorhersagen für Messungen zu machen und könnte in neu­artigen Sensoren und Abbildungs­verfahren für elektro­magnetische Felder Verwendung finden.

Abb.: Eine Wolke aus Atomen wird von elektromagnetischen Feldern über einem Chip gehalten, was die Beobachtung von Vielteilchen-Verschränkung möglich macht. (Bild: U. Basel)

Dazu betrachteten die Forscher zwei Systeme A und B, die sich in einem verschränkten Zustand befinden, in dem ihre Eigenschaften sehr stark korrelieren. Die Ergebnisse von Messungen an System A können dann dafür verwendet werden, die entsprechenden Mess­ergebnisse an System B im Prinzip beliebig genau vorher­zusagen. Dies ist auch dann möglich, wenn die Systeme A und B räumlich getrennt sind. Das Paradoxe dabei ist, dass ein Beobachter durch Messungen an System A präzisere Aussagen über System B machen kann, als ein Beobachter der direkt Zugriff auf System B hat (aber nicht auf A).

Experimentell wurde dieses nach den Initialen seiner Entdecker benannte „EPR-Paradoxon“ bisher mit Licht oder einzelnen Atomen unter­sucht. Ein Team von Physikern um Philipp Treutlein vom Departement Physik der Universität Basel und dem Swiss Nanoscience Institute konnte das EPR-Paradoxon nun erst­mals mit einem Viel­teilchen­system aus mehreren hundert miteinander wechsel­wirkenden Atomen beobachten.

Im Experiment wurden Atome mithilfe von Lasern auf wenige milliardstel Grad über dem absoluten Null­punkt gekühlt. Bei diesen Temperaturen verhalten sich die Atome vollkommen quanten­mechanisch und bilden ein Bose-Einstein-Kondensat – ein Zustand der Materie, der in einer weiteren bahn­brechenden Arbeit von Einstein 1925 vorhergesagt wurde. In dieser ultra­kalten Wolke stoßen die Atome ständig zusammen, sodass sich ihre Spins mit­einander verschränken.

Anschließend führten die Forscher Spinmessungen an räumlich voneinander getrennten Regionen des Kondensats durch. Mittels hoch­auflösender Bild­gebung konnten sie die Spin-Korrelationen zwischen den gesonderten Regionen direkt messen und gleich­zeitig die Atome in genau definierten Positionen lokalisieren. Mit ihrem Experiment ist es den Forschern gelungen, auf Grund­lage der Messungen in einer bestimmten Region die Ergebnisse für eine andere Region vorher­zusagen.

„Die Messergebnisse der beiden Regionen waren so stark mit­einander korreliert, dass wir damit das EPR-Paradoxon nachweisen konnten“, so Matteo Fadel, Doktorand und Erstautor der Studie. „Es ist faszinierend, ein so fundamentales Phänomen der Quanten­physik an immer größeren Systemen zu beobachten. Gleich­zeitig stellen wir mit unseren Experimenten eine Verbindung zwischen zwei der wichtigsten Arbeiten Einsteins her.“

Neben der Grundlagenforschung spekulieren die Wissenschaftler bereits über mögliche Anwendungen ihrer Entdeckung. Die vom EPR-Paradoxon ermöglichte Methode könnte beispiels­weise atomare Sensoren und Abbildungs­methoden für elektro­magnetische Felder verbessern. Die Entwicklung solcher Quanten­sensoren ist ein Ziel des Nationalen Forschungs­schwer­punkts Quanten­wissenschaften und -technologie (NCCR QSIT), an dem das Forscher­team aktiv beteiligt ist.

U. Basel / DE

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