Empfindliche Quantenteilchen

Wichtiges Phänomen der Quantenphysik mit etablierten Verfahren messbar

2016-03-21 – Nachrichten aus dem Physik-Department

Für technische Anwendungen spielt die quantenmechanische Verschränkung von Teilchen eine wichtige Rolle. Bisher war sie jedoch nur schwer experimentell messbar. Physiker des Physik-Departments der TUM, der Universität Innsbruck und des Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona haben nun eine Methodik entwickelt, durch die solche Verschränkungen mit etablierten Messverfahren auch an großen Teilchensystemen nachgewiesen werden können.

Eine neue Methode erlaubt, die Verschränkung von quantenmechnischen Vielteilchensystemen zu messen – Grafik: Harald Ritsch / IQOQI

Verschränkung ist ein schwer zu fassendes quantenphysikalisches Phänomen. Schon Albert Einstein sprach deshalb von einer „spukhaften Fernwirkung“. Für die Entwicklung von Quantentechnologien stellt sie jedoch eine entscheidende Grundlage dar. Viele im Labor erforschte Quantenanwendungen beruhen auf dieser Eigenschaft. Sie führt dazu, dass ein System aus mehreren Teilchen nicht mehr als Kombination unabhängiger Teilchenzustände, sondern nur als großes Ganzes beschrieben werden kann.

Quantenverschränkung ist allerdings nicht einfach nachzuweisen – vor allem, wenn viele Teilchen involviert sind. „Kleine Teilchenensemble können heute im Labor sehr genau kontrolliert werden, und damit lässt sich auch die Verschränkung relativ einfach bestimmen“, sagt der Innsbrucker Quantenphysiker Philipp Hauke. „Sind viele Teilchen miteinander verschränkt, wird eine solche Messung extrem aufwändig bis unmöglich. Der Aufwand steigt mit der Zahl der Teilchen exponentiell an.

“Markus Heyl, Physiker an der Technischen Universität München sowie Philipp Hauke und Peter Zoller vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben nun gemeinsam mit Luca Tagliacozzo vom Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona einen neuen Weg gefunden, wie gewisse Aspekte der Vielteilchenverschränkung bestimmt werden können – unabhängig von der Größe des Systems und mittels Standardmessmethoden.

Empfindlichkeit als Maß für Verschränkung

„Bei komplexeren Systemen mussten bisher sehr, sehr viele Messungen durchgeführt werden, um ein Maß für die Verschränkung zwischen vielen Teilchen zu erhalten“, sagt Philipp Hauke. „Unsere Methode umgeht dieses Problem und kann selbst für die Bestimmung von Verschränkung in makroskopischen Objekten angewendet werden, für die es bisher kaum Möglichkeiten gab.“

Die Wissenschaftler können dazu im Labor bereits etablierte Messverfahren verwenden. Dies haben die Theoretiker in der nun in der in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Arbeit an mehreren Beispielen explizit gezeigt. So kann die Verschränkung von vielen, in einem optischen Gitter gefangenen Teilchen mittels Laserspektroskopie gemessen werden.

Bei Festkörpern kann dafür die ebenfalls seit langem etablierte Messung der Neutronenstreuung eingesetzt werden.Aus den Messdaten lässt sich nach der neuen Methode die Quanten-Fisher-Information ermitteln, die als verlässlicher Indikator für die Verschränkung von Vielteilchensystemen gilt und die Empfindlichkeit des Systems quantifiziert. Je empfindlicher das System, desto stärker die Verschränkung.

„Wenn ich zum Beispiel eine Probe durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld bewege, kann ich aus den Messdaten ermitteln, wie empfindlich diese Probe auf das Magnetfeld reagiert und erhalte über unsere Methode dann ein Maß für die interne Verschränkung“, erklärt Philipp Hauke.

Vielfältige Anwendungen

Quantenmetrologie, also auf quantenmechanischen Eigenschaften basierende Messmethoden, sind ein wichtiges Anwendungsgebiet dieser Methode. Denn nun lassen sich die Quanteneigenschaften makroskopischer Messsonden einfacher charakterisieren. Aber auch für Quantensimulationen, mit der Quanteneigenschaften in physikalischen Systemen nachgebildet werden, ist Verschränkung eine zentrale Ressource.

Auch hier eröffnet das Verfahren neue Perspektiven. Und in der Festkörperphysik könnte es dazu dienen, die Rolle quantenmechanischer Verschränkung bei komplexen Phasenübergängen zu untersuchen.Finanziell unterstützt wurden die Forschungsarbeiten vom European Research Council (ERC), der Europäischen Gemeinschaft, dem österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der spanischen Regierung und der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina.

Redaktion

Christian Flatz (UI) / Andreas Battenberg (TUM) / Dr. Johannes Wiedersich (Physik-Department)

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• Arbeitsgruppe Zwerger

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Dr. Markus Hey

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