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Quantenphysik

Verletzung der Bellschen Ungleichung bestätigt

München, 18.07.2017

Quantenphysiker haben zwei Rubidium-Atome über eine Entfernung von 400 Metern miteinander verschränkt und ihren Zustand sehr genau bestimmt. Das widerlegt Annahmen der klassischen Physik.

Künstlerische Darstellung des Experiments, in dem zwei eingefangene Atome über eine Entfernung von 400 Metern verschränkt und gemessen werden. (Bild: Wenjamin Rosenfeld, LMU)

Quantenphysiker um Professor Harald Weinfurter und Dr. Wenjamin Rosenfeld haben mit einem Test der sogenannten Bellschen Ungleichung Annahmen der klassischen Physik erneut widerlegt. Darüber berichten sie aktuell in dem Fachjournal Physical Review Letters. „Die Natur ist anders, als wir sie mit unseren fünf Sinnen wahrnehmen“, sagt Harald Weinfurter angesichts der Ergebnisse.

Die Bellsche Ungleichung wurde in den 1960er-Jahren von dem Physiker John Bell aufgestellt. Sie erlaubt es, die Gültigkeit von grundlegenden Annahmen der klassischen Physik gegenüber jenen der Quantenphysik experimentell zu überprüfen. Während in der klassischen Physik die Eigenschaften eines Objekts völlig unabhängig von seiner Beobachtung sind, gelten im Bereich der Quanten andere Gesetze: Hier können zwei Teilchen, die weit voneinander entfernt sind, in Beziehung zueinander stehen, und ihre Eigenschaften erst durch die Messung entstehen.

400 Meter voneinander entfernt

Die LMU-Physiker haben in ihrem Experiment zwei Rubidium-Atome über eine Entfernung von 400 Metern verschränkt und danach deren Zustand bestimmt. „Wir haben zwei Beobachter-Stationen mit völlig unabhängig arbeitenden experimentellen Anordnungen, eigenen Kontroll- und Laser-Systemen“, sagt Wenjamin Rosenfeld, der das Projekt geleitet hat. Dank dieser Unabhängigkeit und der großen Entfernung kann jegliche gegenseitige Beeinflussung der beiden Messungen ausgeschlossen werden. Andernfalls wäre eine klassische Beschreibung des Experiments möglich („Lokalitäts-Schlupfloch“).

Um die Atome trotz der großen Entfernung verschränken zu können, verschränken die Forscher jedes Atom zuerst mit einem Photon. Diese Photonen können die Entfernung über Glasfasern problemlos überwinden und werden dann an einem Ort zur Interferenz gebracht. „Die gleichzeitige Messung der interferierten Photonen signalisiert, dass die beiden Atome verschränkt sind“, sagt Harald Weinfurter. Die Verschränkung von zwei Teilchen impliziert, dass ihre Eigenschaften eng korreliert sind. Abhängig von der Art der Verschränkung heißt das für die beiden gespeicherten Rubidium-Atome, dass ihre Spins entweder in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung zeigen. In einer achttägigen Messreihe sammelten die Wissenschaftler die Daten von 10.000 solchen Ereignissen. Die Auswertung ergab, dass wesentlich mehr Atome im gleichen (beziehungsweise ungleichen) Zustand waren, als es durch klassische Statistik beschreibbar wäre.

„Die Bestimmung des Spin-Zustands der beiden Atome erfolgte in dem Experiment sehr schnell und effizient“, sagt Wenjamin Rosenfeld. Damit ist auch ein weiteres potentielles Schlupfloch, wonach eine beobachtete Verletzung der Bellschen Ungleichung auf unvollständige Detektion zurückzuführen sei, geschlossen.

Die Messergebnisse sind zum einen von grundsätzlicher Bedeutung für das Verständnis der Naturgesetze. Die Wissenschaftler sehen in der Methode aber auch eine Möglichkeit, Nachrichten abhörsicher zu verschlüsseln. Für Anwendungen in der Quantenkryptographie aber müsse, so Harald Weinfurter, die Qualität der Messungen noch gesteigert werden. Darüber hinaus könnte das System auch als Bauelement die effiziente Übermittlung von Quanteninformation und damit auch die sichere Kommunikation über große Entfernungen ermöglichen. (Phys. Rev. Lett., 7. Juli 2017); (MPQ/LMU)

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