Experiment zum „spukhaften“ Quantenphänomen könnte ein Rätsel der Physik lösen

Jahrzehntelang haben Wissenschaftler versucht, nachzuweisen, dass eine der merkwürdigsten Eigenschaften der Quantenmechanik nicht nur eine mathematische Laune ist, sondern eine reale Funktion der physischen Welt. Das Phänomen, das Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete und das auch als Quantenverschränkung bekannt ist, bezeichnet Systeme, die nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können, ganz gleich, wie weit sie voneinander entfernt sind.

Die Verschränkung wurde bereits für mikroskopisch kleine Systeme nachgewiesen, wie Photonen, Ionen, Elektronen-Spins sowie Mikrowellen und elektromechanische Geräte. Doch ein Forscherteam, das zum Teil von dem EU-finanzierten Projekt HOT unterstützt wird, hat nun gezeigt, dass die Verschränkung auch auf größerer Ebene erzeugt und erkannt werden kann. Die Studie ist von wesentlicher Bedeutung, weil die Verschränkung als Schlüsselressource für zahlreiche, potenziell transformative Quantentechnologien gilt, einschließlich Quantenberechnung und Informationsübertragung.

Ihre Erkenntnisse wurden vor Kurzem in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Sie erklären, dass ihre Studie „die Bandbreite verschränkter physikalischer Systeme qualitativ ausweitet und Auswirkungen hat auf die Verarbeitung von Quanteninformationen, Präzisionsmessungen und Tests der Grenzen der Quantenmechanik.“

„Massive“ Objekte

Laut einer Pressemitteilung der Aalto-Universität in Finnland ist es Forschern anhand von Labormessungen gelungen, zwei einzigartige und bewegliche Objekte – die schon fast für das bloße Auge sichtbar sind, – in den Zustand einer Quantenverschränkung zu bringen, in dem sie sich gegenseitig fühlen können. Weiter heißt es: „Die Objekte im Experiment waren zwei vibrierende Trommelfelle, die aus metallischem Aluminium auf einem Silikonchip bestehen. Die Trommelfelle sind wahrhaft massiv und makroskopisch im Vergleich zum atomaren Maßstab: Ihr Durchmesser ist vergleichbar mit der Breite eines dünnen menschlichen Haares.“

Prof. Mika Sillanpää von der Fakultät für angewandte Physik der Aalto-Universität, der auch Teamleiter ist, wird in derselben Pressemitteilung zitiert: „Die vibrierenden Körper werden dazu gebracht, über einen supraleitfähigen Mikrowellenkreislauf zu interagieren. Die elektromagnetischen Felder in dem Kreislauf entfernen die thermischen Störungen, so dass nur die quantenmechanischen Vibrationen übrig bleiben.“

Das Team eliminierte sämtliche Formen von störenden Umwelteinflüssen und führte das Experiment folglich bei Temperaturen nahe absolut Null, bei -273 °C durch. Die Forscher fanden heraus, dass ihr Ansatz Verschränkungszustände ergab, die über lange Zeit hinweg anhielten, teilweise bis zu einer halben Stunde. Sie sagen, dass die Studie den Weg für eine präzisere Manipulation der Eigenschaften von Objekten in Makrogröße ebnet. Dies kann letztendlich für die Fertigung neuer Router und Sensoren angewandt werden.

Teleportation, aber nicht im Sinne von Science Fiction

Das Team hofft darüber hinaus, die Quantenteleportation nutzen zu können, um die Vibrationen zwischen diesen beiden Trommelfellen zu übertragen. Dr. Caspar Ockeloen-Korppi, eines der Teammitglieder, das in der Mitteilung zitiert wurde, sagte: „Wir sind aber noch immer recht weit von Star Trek entfernt.“

In der Zusammenfassung der Studie in der britischen Ausgabe von „The Conversation“ erklärt Dr. Matt Woolley, einer der Forscher, dass das Experiment „vielleicht der Ansatz ist, der einer buchstäblichen Umsetzung des berühmten Gedankenexperiments von Einstein, Podolsky und Rosen, das sich erstmals mit dem Phänomen beschäftigte, das dann 1935 als Verschränkung bekannt wurde, am nächsten kommt.“ Einstein hatte ein Paradox erdacht, das dazu dienen sollte, zu zeigen, dass die Quantentheorie unvollständig war, wie er in einem gemeinsamen Artikel mit Boris Podolsky und Nathan Rosen erklärte, der in der Fachzeitschrift „Physical Review“ veröffentlicht wurde.

Das laufende HOT (Hybrid Optomechanical Technologies)-Projekt konzentriert sich auf nano-optomechanische Geräte, die elektrische, Mikrowellen- oder optische Systeme mit mikro- und nano-mechanischen Systemen umfassen.

Weitere Informationen:

HOT-Projektwebsite