Physik: Weltrekord bei der Verschränkung von verdrehten Lichtquanten
| 02. November 2012
Kameraaufnahme in Falschfarbendarstellung eines Lasers, der sich in einer quantenmechanischen Überlagerung aus 100 rechts- und 100 linkshändigen Drehimpulsquanten befindet. (Fotos: Robert Fickler, IQOQI, Universität Wien)
Langzeitaufnahme eines Laserstrahls in mehreren so genannten Donut-Moden (Lichtmoden ohne Intensität im Zentrum).
Anton Zeilinger von der Universität Wien und seinem Team gelang der neue Weltrekord.
Einem Wiener Forscherteam um Anton Zeilinger ist ein neuer Weltrekord gelungen: Die Physiker konnten die Verschränkung der bisher größten Quantenzahlen erzeugen und vermessen. Die Forscher entwickelten hierfür eine neue Methode, um einzelne Lichtquanten miteinander zu verschränken, die sich stark entgegengesetzt drehen.
Das Resultat stellt den ersten Schritt dar, auch größere, räumlich voneinander getrennte Objekte in zwei unterschiedliche Richtungen verschränkt miteinander drehen zu lassen. Die Forscher des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften publizieren ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift "Science".
Quanten-Eistänzerinnen
Die Quantenphysik gilt weithin als eine Theorie für winzige Objekte, wie Atome oder Lichtquanten, bzw. für sehr kleine Einheiten, also niedrige Quantenzahlen. Eines ihrer spannendsten Phänomene ist die Verschränkung. Verschränkte Quanten verhalten sich, als ob sie sich gegenseitig beeinflussen könnten, obwohl sie räumlich voneinander getrennt sind. Schon seit den frühen Tagen der Quantenphysik stellt sich immer wieder die Frage: Ist Verschränkung auf kleine Objekte bzw. kleine Quantenzahlen beschränkt? In der Forschungsgruppe aus Wien wurde jetzt der erste Schritt unternommen, die Grenzen der quantenmechanischen Verschränkung anhand von sich drehenden Lichtteilchen zu testen.
Eine Eistänzerin könnte beispielsweise nach den Gesetzen der Quantenphysik eine Pirouette vollführen, bei der sie sich gleichzeitig nach links und rechts dreht. Zudem würde ihre Drehung mit dem Drehsinn einer zweiten, mit ihr verschränkten Tänzerin noch immer stark korreliert sein, auch wenn die beiden Tänzerinnen weit voneinander entfernt sind. Je schneller die Quanten-Eistänzerinnen sich drehen, desto größer ist die Quantenzahl ihres Drehimpulses. "In unserem Experiment haben wir die größten jemals gemessenen Quantenzahlen von Teilchen irgendwelcher Art verschränkt. Damit haben wir einen kleinen Weltrekord aufgestellt", so Zeilinger schmunzelnd.
Kann es Quanten-Eistänzerinnen wirklich geben?
Seit etwa 20 Jahren ist bekannt, dass es theoretisch keine Obergrenze für die Stärke dieses Drehimpulses für Lichtteilchen gibt. Bisherige Experimente waren jedoch aufgrund physikalischer Einschränkungen auf äußerst schwache Drehungen bzw. kleine Quantenzahlen limitiert. Bei dem in Wien durchgeführten Experiment kann hingegen theoretisch Verschränkung erzeugt werden, egal wie stark der Drehimpuls bzw. wie groß dessen Quantenzahl ist. "Einzig die limitierenden, technischen Mittel bremsen uns ein, um nicht schon bald Verschränkung von verdrehten Lichtquanten zu erzeugen, die wir vielleicht mit der bloßen Hand spüren könnten", erklärt Robert Fickler, Hauptautor der soeben in "Science" veröffentlichten Publikation. Die Forscher haben somit bewiesen, dass es prinzipiell möglich ist, miteinander verschränkte Eistänzerinnen gleichzeitig nach links und rechts drehen zu lassen. In der Praxis gibt es jedoch noch einige Herausforderungen zu bewältigen, bevor ein ähnliches Experiment mit makroskopischen Objekten durchgeführt werden kann.
Von den Grundlagen zur Anwendung
Neben der grundlegenden Frage nach den Grenzen makroskopischer Verschränkung beschäftigen sich die Physiker aber auch mit potenziellen Anwendungen ihrer Forschung. So können sie etwa die von ihnen erzeugten Lichtteilchen nutzen, um bereits mit sehr geringer Intensität genauere Winkelmessungen durchführen zu können. Dieses Prinzip ist besonders bei Untersuchungen von lichtsensitiven Materialien wie beispielsweise biologischen Substanzen vorteilhaft. "Aufgrund der Verschränkung können solche Messungen erstaunlicherweise aus beliebiger Entfernung und ohne jeglichen Kontakt zum Messobjekt oder sogar zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden", erläutert Fickler. (red)
Die Forschung wurde gefördert durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) sowie den österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF).
Das Paper "Quantum Entanglement of High Angular Momenta"
(AutorInnen: Robert Fickler, Radek Lapkiewicz, William N. Plick, Mario Krenn, Christoph Schaeff, Sven Ramelow, Anton Zeilinger) erschien am 2. November 2012 im Journal "Science".
