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Laserstrahl

Quantenspuk in vielen Dimensionen

Die sogenannte Quantenverschränkung ist eines der seltsamsten Phänomene, das die Physik zu bieten hat. Der Seltsamkeit sind offenbar keine Grenzen gesetzt: Wiener Forscher haben die Verschränkung nun in höhere Dimensionen befördert.

Physik 29.02.2016

Albert Einstein bezeichnete sie einst als "spukhafte Fernwirkung". Denn mit der klassischen Physik kann man die Quantenverschränkung nicht erklären, daran hat sich bis heute nichts geändert: Bestimmt ein Forscher den Zustand eines zweier verschränkter Teilchen, ist somit augenblicklich auch die Eigenschaft des zweiten Teilchens bestimmt, ganz gleich wie weit weg es ist.

Münzen und Würfel

Könnte man etwa zwei Münzen miteinander verschränken, hätte das folgende Auswirkungen: Sähe man bei einer Münze nach und stellte fest, dass Kopf oben liegt, würde sofort auch die andere Münze Kopf zeigen. Die Quantenphysik lehrt aber auch: Information kann bei dieser Messung zwischen den Teilchen nicht übertragen werden - was die Angelegenheit nicht unbedingt verständlicher macht.

Ob verständlich oder nicht, Physiker haben jedenfalls bereits bis zu 14 Teilchen miteinander verschränkt. Und sie haben es auch schon geschafft, zwei Teilchen in mehr als nur zwei Dimensionen zu verschränken.

Diese höherdimensionale Verschränkung lässt sich mit Alltagsgegenständen am besten so erklären: Die fiktive "Quantenmünze" etwa wäre in zwei Dimensionen verschränkt, weil sie nur Kopf oder Zahl zeigen kann. Könnte man Spielwürfel verschränken, wäre dies bereits eine sechsdimensionale Verschränkung.

Neuer Rekord im Labor

Die Studie

"Multi-photon entanglement in high dimensions", Nature Photonics (29.2.2016).

Mehr als zwei Teilchen in mehr als zwei Dimensionen zu verschränken, war bisher nicht möglich. Diese Rekordmarke haben nun Forscher vom Akademieinstitut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) im Labor realisiert.

"Um diesen Quantenzustand zu erzeugen, haben wir zwei Photonen-Paare in mehreren Dimensionen derart manipuliert, dass daraus ein verschränktes System aus drei Teilchen entstand", erklärt Mehul Malik, einer der Studienautoren.

Konkret stellten die Forscher zwei verschränkte Photonenpaare her und löschten mit einem sogenannten Quantenradierer die Information über den Ursprung der einzelnen Photonen. Damit waren genau genommen sogar vier Photonen miteinander verschränkt, genutzt werden können aus technischen Gründen allerdings nur drei davon.

Der Rekord im Detail: Von diesen Lichtteilchen waren zwei in drei Dimensionen verschränkt. Das dritte war mit den anderen in zwei Dimensionen - um in Einsteins Diktion zu bleiben - "spukhaft" verbunden. Die Physiker bezeichnen dies als "asymmetrische Verschränkung".

Wie perfekt synchrone Eiskunstläuferinnen

Wie die Forscher im Fachblatt "Nature Photonics" schreiben, erfolgte die Verschränkung in mehreren Dimensionen über den Drehimpuls der Lichtteilchen. In einer Aussendung vergleichen die Physiker ihr Experiment mit Eiskunstläuferinnen:

Wären diese in zwei Dimensionen verschränkt, würden sie sich alle drei perfekt synchron in die gleiche Richtung drehen. Wären sie in drei Dimensionen verschränkt, würden sie auch ihre Sprünge zur exakt gleichen Zeit absolvieren.

Solche Zustände könnten nach Ansicht der Forscher zu unterschiedlichen Anwendungen führen - etwa in künftigen Quantencomputern oder bei der Verschlüsselung von Botschaften.

Auf Basis der Quantenphysik wäre nämlich absolut abhörsichere Kommunikation möglich. Das jüngste Experiment der Wiener Physiker zeigt: auch zwischen mehr als zwei Teilnehmern.

science.ORF.at/APA

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