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Quantenphysik: Zwei Diamanten miteinander verschränkt

Verschränkte Diamanten

Ein wesentliches Merkmal der Quantenmechanik ist die so genannte Verschränkung. Zwei verschränkte Objekte bilden gewissermaßen eine Einheit und lassen sich nur noch gemeinschaftlich beschreiben: Ändert sich der Zustand des einen, wirkt sich das auch auf den Partner aus – egal wie weit beide voneinander entfernt sind. In den vergangenen Jahren stellten Forscher unter Beweis, dass diese Eigenschaft nicht nur in atomaren Dimensionen, sondern auch in der makroskopischen Welt auftritt. Jetzt haben Physiker zwei mit bloßem Auge erkennbare Diamanten sogar bei Raumtemperatur miteinander verschränkt.

Ka Chung Lee von der University of Oxford in England und seine Kollegen konstruierten dafür einen aufwändigen Aufbau aus Lasern, Strahlteilern und Detektoren. Dort hinein platzierten sie auch zwei millimetergroße Diamanten, rund 15 Zentimeter voneinander entfernt. Sie hatten es nun auf die Gitterschwingungen in den Kristallen abgesehen, also auf die periodischen Bewegungen der Atome darin. Die quantisierten Gitterschwingungen werden – analog zu den Photonen bei elektromagnetischen Feldern – als Phononen bezeichnet.

Verschränkte Diamanten | Die Schwingungszustände von zwei räumlich getrennten, millimetergroßen Diamanten werden bei Raumtemperatur miteinander verschränkt, indem zwei ultrakurze Laserpulse (grün) an den Diamanten gestreut werden.

Die Forscher konzentrierten sich in den Diamanten auf so genannte optische Phononen, gegenphasige Schwingungen im gesamten Diamantgitter, die eine sehr hohe Frequenz besitzen und deshalb im Gegensatz zu akustischen Phononen bei Raumtemperatur nicht allein durch die thermische Energie angeregt werden. Und genau das schafft die Basis für den Versuch: Denn auf diese Weise konnten die Physiker auch ohne Kühlung einen reinen Anfangszustand erzeugen, der nötig ist, um Verschränkung zu erreichen.

Mit ultraschnellen Laserpulsen regten Lee und seine Mitarbeiter in den Diamanten jeweils eine optische Phononenmode an, wobei gleichzeitig ein Lichtquant emittiert wurde, das die beiden noch separaten Phononenzustände später verschränken wird. Dazu leitete das Team die Lichtquanten aus den beiden Diamanten zu einem Strahlteiler, wo diese interferieren können. Wies ein dahinter befindlicher Photonendetektor nun ein Lichtteilchen nach, ist nicht nachvollziehbar, aus welchem Diamant es stammt. Dies bedeutet aber, dass sich die beiden Diamanten durch einen gemeinsamen Zustand beschreiben lassen, in dem sich ein Phonon über beide Kristalle erstreckt. Die Diamanten sind also miteinander verschränkt.

Die Forscher führten weitere Tests durch, um den verschränkten Zustand zu bestätigen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein positives Resultat mit einer statistischen Sicherheit von 98 Prozent auftrete, berichten die Forscher um Lee. Ihr Experiment lege den Grundstein für zukünftige Studien von Quantenphänomenen in solchen komplexen Systemen. Und herauszufinden, wie lange sich Quantenkorrelationen im klassischen Bereich aufrecht erhalten lassen, sei sowohl für die Grundlagenforschung als auch für zukünftige Quanteninformationsverarbeitung von großem Interesse. (mp)

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