Quelle: Technische Universität Wien 1. Juli 2024.

1. Juli 2024 – Kann sich ein Teilchen an zwei unterschiedlichen Orten gleichzeitig aufhalten? In der Quantenphysik ist das kein Problem: Sie erlaubt, dass sich Objekte in verschiedenen Zuständen gleichzeitig befinden – oder präziser gesagt: In einem Überlagerungszustand, der sich aus unterschiedlichen beobachtbaren Zuständen zusammensetzt. Aber ist das wirklich der Fall? Vielleicht befindet sich das Teilchen in Wirklichkeit sehr wohl in einem ganz bestimmten Zustand, an einem ganz bestimmten Ort, nur kennen wir ihn nicht?

Seit Jahrzehnten wird über die Frage diskutiert, ob man das Verhalten von Quantenobjekten nicht vielleicht doch durch eine für uns anschaulichere Theorie beschreiben kann. 1985 wurde eine Möglichkeit vorgeschlagen, das zu messen – die sogenannte „Leggett-Garg-Ungleichung“. Jede Theorie, die ohne die merkwürdigen Überlagerungs-Zustände der Quantentheorie auskommt, muss dieser Ungleichung gehorchen. Die Quantentheorie hingegen verstößt gegen sie. An der TU Wien wurden dazu nun erstmals Messungen mit Neutronen durchgeführt – mit einem eindeutigen Ergebnis: Die Leggett-Garg-Ungleichung wird verletzt, klassische Erklärungen dafür sind nicht möglich, die Quantentheorie gewinnt. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Physikalischer Realismus
Wir gehen normalerweise davon aus, dass jedes Objekt bestimmte Eigenschaften hat: Ein Ball befindet sich an einem bestimmten Ort, er hat eine bestimmte Geschwindigkeit, vielleicht auch eine bestimmte Drehung. Ob wir den Ball beobachten oder nicht, ist egal. Er hat diese Eigenschaften ganz objektiv und unabhängig von uns. „Diese Sichtweise wird als ‚Realismus‘ bezeichnet“, sagt Stephan Sponar vom Atominstitut der TU Wien.

Insbesondere große, makroskopische Objekte müssen dieser Regel gehorchen, das wissen wir aus unserer Alltagserfahrung. Außerdem wissen wir: Makroskopische Objekte kann man beobachten, ohne sie nennenswert zu beeinflussen. Die Messung ändert den Zustand nicht. Diese Annahmen bezeichnet man zusammen als „makroskopischen Realismus“.

Die Quantentheorie, wie man sie heute kennt, ist aber eine Theorie, die diesen makroskopischen Realismus verletzt. Wenn für ein Quantenteilchen unterschiedliche Zustände erlaubt sind, zum Beispiel unterschiedliche Positionen, Geschwindigkeiten oder Energiewerte, dann ist auch eine beliebige Kombination dieser Zustände erlaubt. Zumindest, solange man diesen Zustand nicht misst. Bei einer Messung geht dieser Überlagerungszustand nämlich kaputt: Die Messung zwingt das Teilchen, sich für einen ganz bestimmten Wert zu entscheiden.

Die Leggett-Garg-Ungleichung
Trotzdem muss die Quantenwelt mit der makroskopischen Welt logisch zusammenhängen – schließlich bestehen große Dinge ja aus kleinen Quantenteilchen. Prinzipiell sollten die Regeln der Quantentheorie für alles gelten.

Die Frage ist nun also: Kann man bei „großen“ Objekten ein Verhalten finden, das sich mit unserem intuitiven Bild des makroskopischen Realismus nicht vereinbaren lässt? Können auch makroskopische Dinge klare Anzeichen von Quanteneigenschaften aufweisen?

1985 veröffentlichten die Physiker Anthony James Leggett und Anupam Garg eine Formel, mit der sich der makroskopische Realismus testen lässt: Die Leggett-Garg-Ungleichung. „Der Gedanke dahinter ist ähnlich wie bei der berühmteren Bell’schen Ungleichung, für deren Überprüfung 2022 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde“, sagt Elisabeth Kreuzgruber, Erstautorin des Papers. „Allerdings geht es bei der Bell’schen Ungleichung um die Frage, wie stark das Verhalten eines Teilchens mit einem anderen, quantenverschränkten Teilchen zusammenhängt. Bei der Leggett-Garg-Ungleichung geht es nur um ein einziges Objekt, und um die Frage, wie sein Zustand zu bestimmten Zeitpunkten mit seinem Zustand zu anderen Zeitpunkten zusammenhängt.“

Stärkere Korrelationen als die klassische Physik erlaubt
Leggett und Garg gingen von einem Objekt aus, das zu drei verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden kann, jede Messung kann zwei verschiedene Ergebnisse haben. Auch wenn man überhaupt nichts darüber weiß, ob oder wie sich der Zustand dieses Objekts im Lauf der Zeit ändert, kann man trotzdem statistisch untersuchen, wie stark die Ergebnisse zu unterschiedlichen Zeitpunkten miteinander zusammenhängen.

Man kann mathematisch zeigen, dass die Stärke dieser Zusammenhänge ein gewisses Maß niemals übersteigen kann – wenn man voraussetzt, dass der makroskopische Realismus korrekt ist. Leggett und Garg konnten eine Ungleichung aufstellen, die von jeder makroskopisch realistischen Theorie immer erfüllt sein muss, ganz egal um welche Theorie es sich im Detail handelt.

Wenn sich das Objekt allerdings an die Regeln der Quantentheorie hält, dann müssen sich deutlich stärkere statistische Zusammenhänge zwischen den Messergebnissen zu den drei verschiedenen Zeitpunkten ergeben. Wenn ein Objekt sich zwischen den Mess-Zeitpunkten tatsächlich in verschiedenen Zuständen gleichzeitig befindet, muss sich das – nach Leggett und Garg – in stärkeren Korrelationen zwischen den drei Messzeitpunkten zeigen.

Neutronenstrahlen: Zentimetergroße Quantenobjekte
„Allerdings ist es gar nicht so einfach, diese Frage experimentell zu untersuchen“, sagt Richard Wagner. „Wenn wir den makroskopischen Realismus testen wollen, dann brauchen wir ein Objekt, das in gewissem Sinn makroskopisch ist, das also eine Größe hat, die mit der Größe unserer gewohnten Alltagsgegenstände vergleichbar ist.“ Gleichzeitig muss es sich aber um ein Objekt handeln, bei dem man eine Chance hat, Quanten-Eigenschaften zu erkennen.

„Neutronenstrahlen, wie wir sie in einem sogenannten Neutroneninterferometer vorfinden, sind dafür perfekt“, sagt Hartmut Lemmel, Strahlplatzverantwortlicher am Instrument S18 des Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, wo das Experiment durchgeführt wurde. Im Neutroneninterferometer, einem Silizium-Perfektkristall-Interferometer, das in den frühen 1970er Jahren am Atominstitut der TU Wien erstmals erfolgreich zum Einsatz kam, wird der einfallende Neutronenstrahl an der ersten Kristallplatte in zwei Teilstrahlen aufgespalten und danach von einem weiteren Silizium-Stück wieder zusammengeführt. Es gibt somit zwei verschiedene Wege, auf denen Neutronen von der Quelle zum Detektor gelangen können.

„Die Quantentheorie sagt: Jedes einzelne Neutron nimmt beide Wege gleichzeitig“, sagt Niels Geerits. „Die beiden Teilstrahlen sind aber mehrere Zentimeter voneinander entfernt. In gewissem Sinn hat man es hier also mit einem Quantenobjekt zu tun, das eine für Quanten-Verhältnisse gewaltige Größe hat.“

Durch eine ausgeklügelte Kombination mehrerer Neutronenmessungen konnte das Team der TU Wien die Leggett-Garg-Ungleichung testen – und das Ergebnis war eindeutig: Die Ungleichung wird verletzt. Die Neutronen benehmen sich also auf eine Weise, die mit keiner erdenklichen makroskopisch realistischen Theorie erklärt werden kann. Sie befinden sich tatsächlich auf beiden Strahlen gleichzeitig, an unterschiedlichen Stellen, die Zentimeter auseinanderliegen. Die Idee „vielleicht bewegt sich das Neutron doch nur auf einer der beiden Bahnen, wir wissen bloß nicht welche“ ist damit widerlegt.

„Unser Experiment zeigt: Die Natur ist tatsächlich so seltsam, wie die Quantentheorie behauptet“, sagt Stephan Sponar. „Egal welche klassische, makroskopisch realistische Theorie man sich zurechtlegt: Sie wird die Wirklichkeit niemals erklären können. Ohne Quantenphysik geht es nicht.“

Originalpublikation
E. Kreuzgruber et al., Violation of a Leggett-Garg Inequality Using Ideal Negative Measurements in Neutron Interferometry, Phys. Rev. Lett. 132, 260201 (2024).
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.260201

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Quelle: Universität Wien 14. Juni 2024.

14. Juni 2024 – Ein Forschungsteam unter der Leitung von Philip Walther an der Universität Wien hat in einem bahnbrechenden Experiment die Auswirkungen der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen gemessen. Die Arbeit, die soeben in Science Advances veröffentlicht wurde, stellt einen bedeutenden Erfolg dar, der die Grenzen der Rotationsempfindlichkeit von verschränkungsbasierten Sensoren erweitert und möglicherweise die Grundlage für weitere Forschungen an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie bildet.

Optische Sagnac-Interferometer sind die empfindlichsten Geräte für Rotationsmessungen. Seit Anfang des vergangenen Jahrhunderts sind sie für das Verständnis der grundlegenden Physik von zentraler Bedeutung. Durch ihre hohe Sensitivität trugen diese experimentellen Werkzeuge schon vor über hundert Jahren etwa zur Begründung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie bei. Heute sind sie aufgrund ihrer unvergleichlichen Präzision das ultimative Instrument zur Messung von Rotationsgeschwindigkeiten, das nur durch die Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik begrenzt wird.

Interferometer, die mit Quantenverschränkung arbeiten, haben das Potenzial, diese Grenzen zu sprengen. Liegt zwischen zwei oder mehreren Quantenteilchen eine Verschränkung vor, so ist nur ihr Gesamtzustand bekannt, während der Zustand der einzelnen Teilchen bis zu einer Messung unbestimmt bleibt. Diese Tatsache kann dazu genutzt werden, um mehr Information pro Messung zu erhalten, als dies ohne Verschränkung möglich wäre. Der versprochene Quantensprung in der Messempfindlichkeit wurde jedoch bisher durch die fragile Natur der Verschränkung behindert. Um diese Hürde zu umgehen, kam beim Experiment der Forschungsgruppe ein sehr stabiler und auf optischen Glasfasern basierender Sagnac-Interferometer mit einer effektiven Fläche von mehr als 700 Quadratmetern zum Einsatz. Auf diese Weise konnten genügend hochwertige verschränkte Photonenpaare beobachtet werden, um die Präzision der Rotationsmessung früherer quantenoptischer Sagnac-Interferometer um das Tausendfache zu übertreffen.

Beim Sagnac-Effekt kommen zwei Teilchen, die sich vom selben Startpunkt in entgegengesetzte Richtungen einer rotierenden, geschlossenen Kurve bewegen, zu unterschiedlichen Zeiten am Ausgangspunkt an. Bei zwei verschränkten Teilchen, wie sie in diesem Experiment verwendet wurden, wird es spukhaft: sie verhalten sich wie ein einziges Teilchen welches beide Richtungen gleichzeitig testet. Da es sich hier um einen sehr kleinen Effekt handelt, mussten die Forscher*innen die Länge ihrer zwei Kilometer langen Glasfasern, welche auf einer riesigen Spule aufgewickelt wurden, auf etwa ein Zehntel eines Nanometers konstant halten. Dies entspricht einer Längenänderung von circa einem Millimeter bei der durchschnittlichen Distanz der Erde zur Sonne.

Um die Auswirkung der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen zweifelsfrei zu messen, brauchten die Forscher*innen aber auch einen Vergleichswert – also das Verhalten der Photonen ohne den Einfluss der Erdrotation. „Wir können die Erdrotation aber natürlich nicht stoppen, einen guten Vergleichswert zu bekommen, war also eine echte Herausforderung. Wir haben die Glasfaser in zwei gleich lange Spulen aufgeteilt und diese über einen optischen Schalter miteinander verbunden“, erklärt der Hauptautor Raffaele Silvestri von der Universität Wien. Durch den Schalter wurde es möglich, die Rotationsrichtung nach Belieben auf der Hälfte des Weges umzukehren, sodass die Teilchen unabhängig vom tatsächlichen Rotationszustand immer zeitgleich am Ausgangspunkt ankommen. „Wir haben dem Licht im Grunde genommen vorgegaukelt, dass es sich in einem nicht rotierenden Universum befindet“, so Silvestri.

Mit dem Experiment, das im Rahmen des von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften getragenen Forschungsnetzwerks TURIS durchgeführt wurde, konnten die Forscher*innen erfolgreich den Effekt der Erdrotation auf einen maximal verschränkten Zwei-Photonen-Zustand beobachten. Dies bestätigt die Wechselwirkung zwischen rotierenden Bezugssystemen und Quantenverschränkung, wie sie in Einsteins spezieller Relativitätstheorie und der Quantenmechanik beschrieben wird, im Vergleich zu früheren Experimenten mit tausendfacher Präzision. „Das ist ein bedeutender Meilenstein – ein Jahrhundert nach der ersten Beobachtung der Erdrotation mit Licht hat die Verschränkung einzelner Lichtquanten endlich die gleichen Empfindlichkeitsbereiche erreicht“, sagt Haocun Yu, die als Marie-Curie-Postdoktorandin an diesem Experiment gearbeitet hat. „Ich glaube, dass unser Ergebnis und unsere Methodik den Grundstein für weitere Verbesserungen der Rotationsempfindlichkeit von verschränkungsbasierten Sensoren legen werden. Dies könnte den Weg für zukünftige Experimente ebnen, die das Verhalten der Quantenverschränkung durch die Kurven der Raumzeit testen“, fügt Gruppenleiter Philip Walther von der Universität Wien hinzu.

Originalpublikation:
Experimental Observation of Earth’s Rotation with Quantum Entanglement.
R. Silvestri, H. Yu, T. Strömberg, C. Hilweg, R. W. Peterson, P. Walther. Science Advances, 2024.
DOI: 10.1126/sciadv.ado0215
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0215

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