In den 1930er Jahren kehrte der ehrwürdige theoretische Physiker Albert Einstein auf das Gebiet der Quantenmechanik zurück, das seine Relativitätstheorien mitentwickelten. In der Hoffnung, eine umfassendere Theorie über das Verhalten von Teilchen entwickeln zu können, war Einstein stattdessen entsetzt über die Aussicht auf eine Quantenverschränkung – etwas, das er als „spukhafte Fernwirkung“ beschrieb.
Trotz Einsteins Bedenken hat sich die Quantenverschränkung zu einem akzeptierten Teil der Quantenmechanik entwickelt. Und jetzt hat erstmals ein Team von Physikern der Universität Glasgow eine Bild einer Form der Quantenverschränkung (alias Bell-Verschränkung) bei der Arbeit. Auf diese Weise gelang es ihnen, den ersten visuellen Beweis für ein Phänomen zu erfassen, das sogar Einstein selbst verblüffte.
Das Papier, das ihre Ergebnisse beschrieb, mit dem Titel „ Bildgebendes nicht-lokales Verhalten vom Typ Bell “, erschien kürzlich in der ZeitschriftWissenschaftliche Fortschritte. Die Studie wurde von Dr. Paul-Antoine Moreau, einem Leverhulme Early Career Fellow an der University of Glasgow, geleitet und umfasste mehrere Forscher der Glasgow School of Physics & Astronomy.
Quantenverschränkung visualisiert. Kredit: Entdeckungsnachrichten.
Quantenverschränkung beschreibt das Phänomen, bei dem zwei miteinander wechselwirkende Teilchen verbunden bleiben können und augenblicklich ihre physikalischen Zustände teilen, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Diese Verbindung ist das Herzstück der Quantenmechanik, obwohl sie das Konzept des lokalen Realismus und viele Elemente der Speziellen Relativitätstheorie verletzt.
1964 erweiterte Sir John Bell die Arbeit früherer Theoretiker, indem er das Konzept der nichtlokalen Interaktion formalisierte und eine starke Form der Verschränkung beschrieb. Dies würde als Bell-Verschränkung bekannt werden, ein Konzept, das für mehrere wissenschaftliche Anwendungen genutzt wird – wie Quantencomputer und Kryptographie.
Und doch wurde es bis jetzt noch nie in einem einzigen Bild festgehalten. Wie Dr. Moreau in einer Universität von Glasgow sagte Pressemitteilung :
„Das Bild, das uns gelungen ist, ist eine elegante Demonstration einer grundlegenden Eigenschaft der Natur, die zum ersten Mal in Form eines Bildes zu sehen ist. Es ist ein spannendes Ergebnis, das genutzt werden könnte, um das aufstrebende Gebiet des Quantencomputings voranzutreiben und zu neuen Arten der Bildgebung zu führen.“
Für ihre Studie entwickelte das Forschungsteam ein System, bei dem ein Strom verschränkter Fotos von einer Quantenlichtquelle abgefeuert wird. Dieser Strom durchquert dann eine Reihe von „nicht-konventionellen Objekten“, die sich auf Flüssigkristallmaterialien beziehen, die die Phase der Photonen ändern, während sie durchgehen.
Quantenverschränkung. Credit: Physik-Department, HKUST
Zum Setup gehörte auch eine superempfindliche Kamera, die einzelne Photonen erkennen und Bilder davon aufnehmen kann. Die Kamera war jedoch so programmiert, dass sie nur Bilder aufnimmt, wenn sie sowohl ein Photon als auch seinen verschränkten Zwilling sieht. Auf diese Weise erstellte das Experiment effektiv eine sichtbare Aufzeichnung der Verschränkung zweier Photonen.
Die Ergebnisse dieser Studie öffnen die Tür zu einer ganz neuen Welt von Quanten-Imaging-Techniken, die sich die Bell-Verschränkungen zunutze machen. Es hat auch Auswirkungen auf den Bereich der Quanteninformation (d. h. Quantencomputer und Kryptologie).
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