(Juha Juvonen) Quantenverschränkung ist die Verbindung zweier Teilchen oder Objekte, auch wenn sie weit voneinander entfernt sind – ihre jeweiligen Eigenschaften sind auf eine Weise verknüpft, die nach den Regeln der klassischen Physik nicht möglich ist.
Es ist ein seltsames Phänomen, das Einstein als „ gruselige Action aus der Ferne ', aber seine Seltsamkeit macht es für Wissenschaftler so faszinierend. In neue Forschung , Quantum Verstrickung wurde direkt im makroskopischen Maßstab beobachtet und aufgezeichnet – einem Maßstab, der viel größer ist als die subatomaren Teilchen, die normalerweise mit Verschränkung in Verbindung gebracht werden.
Aus unserer Sicht sind die Dimensionen noch sehr klein – bei diesen Experimenten handelte es sich um zwei winzige Aluminiumfässer, die ein Fünftel der Breite eines menschlichen Haares hatten –, aber im Bereich der Quantenphysik sind sie absolut riesig.
Die makroskopischen mechanischen Trommeln. (J. Teufel/NIST)
„Wenn man die Positions- und Impulsdaten der beiden Trommeln unabhängig voneinander analysiert, sieht jede einzelne einfach heiß aus.“ says physicist John Teufel , vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA.
„Aber wenn wir sie zusammen betrachten, können wir sehen, dass das, was wie eine zufällige Bewegung einer Trommel aussieht, in hohem Maße mit der anderen korreliert, und zwar auf eine Art und Weise, die nur dadurch möglich ist Quantenverschränkung .'
Zwar gibt es keine Anhaltspunkte dafür, dass es bei makroskopischen Objekten nicht zu einer Quantenverschränkung kommen kann, doch bisher ging man davon aus, dass die Effekte auf größeren Skalen nicht spürbar seien – oder dass die makroskopische Skala vielleicht durch andere Regeln geregelt sei.
Diese neue Forschung legt nahe, dass dies nicht der Fall ist. Tatsächlich gelten auch hier die gleichen Quantenregeln und sind tatsächlich auch zu sehen. Die Forscher versetzten die winzigen Trommelmembranen mithilfe von Mikrowellenphotonen in Schwingungen und hielten sie hinsichtlich ihrer Position und Geschwindigkeit in einem synchronisierten Zustand.
Um Störungen von außen zu vermeiden, ein häufiges Problem bei Quantenzuständen, wurden die Trommeln in separaten Stufen gekühlt, verwickelt und gemessen, während sie sich in einem kryogen gekühlten Gehäuse befanden. Die Zustände der Trommeln werden dann in einem reflektierten Mikrowellenfeld kodiert, das ähnlich wie Radar funktioniert.
Vorherige Studien haben auch über makroskopische Quantenverschränkung berichtet, aber die neue Forschung geht noch weiter: Alle notwendigen Messungen wurden aufgezeichnet und nicht abgeleitet, und die Verschränkung wurde auf deterministische, nicht zufällige Weise erzeugt.
In einem verwandte, aber separate Versuchsreihen Forscher, die ebenfalls mit makroskopischen Trommeln (oder Oszillatoren) in einem Zustand der Quantenverschränkung arbeiten, haben gezeigt, wie es möglich ist, die Position und den Impuls der beiden Trommelköpfe gleichzeitig zu messen.
„Bei unserer Arbeit zeigen die Trommelfelle eine kollektive Quantenbewegung“, sagt die Physikerin Laure Mercier de Lepinay , von der Aalto-Universität in Finnland. „Die Trommeln vibrieren in einer entgegengesetzten Phase zueinander, sodass sich die andere gleichzeitig in der entgegengesetzten Position befindet, wenn sich eine von ihnen in einer Endposition des Vibrationszyklus befindet.“
„In dieser Situation wird die Quantenunsicherheit der Bewegung der Trommeln aufgehoben, wenn die beiden Trommeln als eine quantenmechanische Einheit behandelt werden.“
Das Besondere an dieser Schlagzeile ist, dass sie sich herumspricht Heisenbergs Unsicherheitsprinzip – die Idee, dass Position und Impuls nicht gleichzeitig perfekt gemessen werden können. Das Prinzip besagt, dass die Aufzeichnung einer Messung die andere durch einen Prozess namens interferiert Quantenrückwirkung .
Diese spezielle Forschungsarbeit untermauert nicht nur die andere Studie durch den Nachweis der makroskopischen Quantenverschränkung, sondern nutzt diese Verschränkung auch, um Quantenrückwirkungen zu vermeiden – und untersucht im Wesentlichen die Grenze zwischen der klassischen Physik (wo das Unsicherheitsprinzip gilt) und der Quantenphysik (wo es jetzt gilt). Scheint nicht).
Eine der potenziellen zukünftigen Anwendungen beider Erkenntnisse sind Quantennetzwerke – die Fähigkeit, Objekte auf makroskopischer Ebene zu manipulieren und zu verschränken, damit sie Kommunikationsnetzwerke der nächsten Generation antreiben können.
„Abgesehen von praktischen Anwendungen befassen sich diese Experimente damit, wie weit Experimente in den makroskopischen Bereich vordringen können, um die Beobachtung eindeutiger Quantenphänomene voranzutreiben“, schreiben die Physiker Hoi-Kwan Lau und Aashish Clerk, die nicht an den Studien beteiligt waren ein Kommentar zur neuen Forschung .
Beide Erste und das zweite Studie wurden veröffentlicht in Wissenschaft .