Erstmals wird die Geschwindigkeit der Quantenverschränkung gemessen

In der Welt der Quantenphysik vollziehen sich Ereignisse mit erstaunlicher Geschwindigkeit. Prozesse, von denen früher angenommen wurde, dass sie in einem Augenblick ablaufen, wie etwa die Quantenverschränkung, werden jetzt in kleinsten Bruchteilen einer Sekunde untersucht.

Es ist, als würde man einen flüchtigen Moment einfrieren, um winzige Details zu enthüllen, die in der Öffentlichkeit verborgen bleiben.

In Zusammenarbeit mit einem Forscherteam aus China, Professor Joachim Burgdorfer und Kollegen aus Institut für Theoretische Physik An der TU Wien messen wir diese flüchtigen Momente, um zu verstehen, wie Quantenverschränkung tatsächlich auftritt.

Diese Wissenschaftler konzentrieren sich nicht auf die Existenz der Quantenverschränkung, sondern möchten herausfinden, wie sie beginnt – wie genau werden zwei Teilchen quantenverschränkt?

Quantenverschränkung verstehen

Mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen konnten sie Prozesse erkennen, die auf Zeitskalen von Attosekunden ablaufen – Milliardstel einer Milliardstel Sekunde.

Quantenverschränkung ist ein seltsames und wunderbares Phänomen, bei dem zwei Teilchen so miteinander verbunden werden, dass sie einen einzigen Zustand teilen.

Es ist, als hätte man zwei magische Münzen, die immer auf der gleichen Seite liegen – wirft man eine um, zeigt die andere auf mysteriöse Weise das gleiche Ergebnis, auch wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind.

„Man kann sagen, dass Teilchen keine individuellen Eigenschaften haben, sondern nur gemeinsame Eigenschaften. Mathematisch gesehen gehören sie stark zusammen, auch wenn sie sich an völlig unterschiedlichen Orten befinden“, erklärt Professor Burgdorfer.

Das bedeutet, dass die Messung eines Teilchens unmittelbar den Zustand des anderen Teilchens beeinflusst, unabhängig vom Abstand zwischen ihnen.

Vereinfacht ausgedrückt teilen verschränkte Teilchen eine Verbindung, die es ihnen ermöglicht, sofort miteinander zu „sprechen“. Messen Sie ein einzelnes Teilchen und Sie wissen sofort etwas über seinen Partner.

Dieses seltsame Verhalten stellt unser alltägliches Verständnis davon, wie die Welt funktioniert, in Frage und macht die Verschränkung zu einem der verblüffendsten Konzepte der Quantenphysik.

Laser- und Elektronenexperimente

Obwohl das Konzept der Quantenverschränkung unverständlich erscheint, ist es kein Thema mehr, ob es wahr ist oder nicht, und darum geht es in dieser Studie auch nicht.

„Uns hingegen interessiert etwas anderes, nämlich herauszufinden, wie diese Verschränkung überhaupt entstanden ist und welche physikalischen Effekte auf sehr kurzen Zeitskalen eine Rolle spielen“, sagt Professorin Eva Brezinova, eine der Beteiligten Autoren der Forschung. Aktueller Beitrag.

Um dies zu untersuchen, untersuchte das Team Atome, die von einem intensiven Hochfrequenz-Laserpuls getroffen wurden. Stellen Sie sich vor, Sie richten eine superstarke Taschenlampe auf ein Atom.

Eines der Elektronen wird so angeregt, dass es sich löst und davonfliegt. Wenn der Laser stark genug ist, erfährt auch ein anderes Elektron im Inneren des Atoms einen Stoß, bewegt sich auf ein höheres Energieniveau und ändert seine Umlaufbahn um den Kern.

Nach diesem intensiven Lichtausbruch bricht also ein Elektron von selbst ab und lässt ein anderes zurück, das jedoch nicht ganz dasselbe ist wie zuvor.

„Wir können zeigen, dass diese beiden Elektronen nun quantenverschränkt sind“, sagt Professor Burgdorfer. „Man kann sie nur gemeinsam analysieren, und man kann an einem Elektron messen und gleichzeitig etwas über das andere Elektron wissen.“

Wenn die Zeit verschwimmt

Hier wird es richtig interessant. Ein wegfliegendes Elektron hat keinen bestimmten Zeitpunkt, zu dem es das Atom verlässt.

„Das bedeutet, dass der Geburtszeitpunkt des wegfliegenden Elektrons im Prinzip unbekannt ist.“ „Man könnte sagen, dass das Elektron selbst nicht weiß, wann es das Atom verlassen hat“, bemerkt Professor Burgdorfer.

Es befindet sich in der sogenannten Quantenüberlagerung, was bedeutet, dass es in mehreren Zuständen gleichzeitig existiert.

Aber es gibt noch mehr. Der Zeitpunkt, zu dem ein Elektron austritt, hängt vom Energiezustand des zurückbleibenden Elektrons ab.

Wenn das verbleibende Elektron eine höhere Energie hat, ist es wahrscheinlich, dass das sich entfernende Elektron früher verlassen hat. Wenn es sich in einem niedrigeren Energiezustand befände, würde das Elektron wahrscheinlich später austreten – im Durchschnitt nach etwa 232 Attosekunden.

Messen, was nicht gemessen werden kann

Eine Totosekunde ist so kurz, dass sie für die meisten Menschen unverständlich ist. Diese kleinen Unterschiede sind jedoch nicht nur theoretisch.

„Diese Unterschiede lassen sich nicht nur berechnen, sondern auch experimentell messen“, sagt Professor Burgdorfer.

Das Team entwickelte ein Messprotokoll, das zwei verschiedene Laserstrahlen kombiniert, um dieses schwer fassbare Timing zu erfassen.

Sie arbeiten bereits mit anderen Forschern zusammen, die diese ultraschnellen Verschränkungen im Labor testen und überwachen möchten.

Warum ist Quantenverschränkung wichtig?

Verstehen, wie Verschränkungsformen erhebliche Auswirkungen auf Quantentechnologien wie Kryptographie und Computer haben könnten.

Anstatt nur zu versuchen, die Verschränkung zu bewahren, können Wissenschaftler nun ihre Anfänge untersuchen. Dies könnte zu neuen Möglichkeiten zur Steuerung von Quantensystemen führen und die Sicherheit der Quantenkommunikation erhöhen.

Die Reise hört hier nicht auf. Professor Burgdorfer und sein Team sind gespannt auf die nächsten Schritte.

„Wir sind bereits in Gesprächen mit Forschungsteams, die solche ultraschnellen Verschränkungen nachweisen wollen.“

Durch die Erforschung dieser sehr kurzen Zeitskalen beobachten sie nicht nur Quanteneffekte, sondern definieren auch neu, wie wir das Gefüge der Realität verstehen.

Quantenverschränkung und die Zukunft

Es ist klar, dass in der Quantenwelt selbst die kürzesten Momente eine Fülle von Informationen enthalten.

„Das Elektron springt nicht einfach vom Atom ab, es ist sozusagen eine Welle, die vom Atom ausgeht, und es dauert eine gewisse Zeit“, erklärt Eva Brezhenova.

„Genau in diesem Stadium kommt es zur Verschränkung“, schlussfolgert sie, „und ihre Wirkung lässt sich später durch Beobachtung der beiden Elektronen genau messen.“

Wenn Sie also das nächste Mal blinzeln, denken Sie daran, dass sich in weniger als einem Billionstel dieser Zeit ganze Quantenereignisse abspielen und Geheimnisse enthüllen, die die Zukunft der Technologie und unser Verständnis des Universums verändern könnten.

Die vollständige Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

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