Wenn Licht und Atome die gleiche Schwingung haben

Eine besonders kontra-intuitive Eigenschaft der Quantenmechanik ist, dass ein einzelnes Ereignis in einem Zustand der Superposition existieren kann – es kann sowohl hier als auch dort stattfinden, oder sowohl heute als auch morgen.

Solche Überlagerungen sind schwer zu erzeugen, da sie zerstört werden, wenn irgendeine Art von Information über Ort und Zeit des Ereignisses in die Umgebung durchsickert – und auch, wenn niemand diese Information tatsächlich aufzeichnet. Aber wenn Überlagerungen auftreten, führen sie zu Beobachtungen, die sich stark von denen der klassischen Physik unterscheiden und unser Verständnis von Raum und Zeit in Frage stellen.

Wissenschaftler von EPFL, MIT und CEA Saclay, die in Science Advances veröffentlichen, zeigen einen Schwingungszustand, der gleichzeitig zu zwei verschiedenen Zeiten existiert, und belegen diese Quantenüberlagerung durch die Messung der stärksten Klasse von Quantenkorrelationen zwischen Lichtstrahlen, die eine Wechselwirkung mit der Schwingung eingehen.

Die Forschenden verwendeten einen sehr kurzen Laserpuls, um ein spezifisches Schwingungsmuster in einem Diamantkristall auszulösen. Jedes Paar benachbarter Atome schwang wie zwei durch eine Feder verbundene Massen, und diese Schwingung verlief synchron über den gesamten beleuchteten Bereich. Um bei diesem Vorgang Energie zu sparen, wird ein Licht einer neuen Farbe emittiert, die in Richtung Rot des Spektrums verschoben ist.

Dieses klassische Bild ist jedoch mit den Experimenten nicht vereinbar. Stattdessen sollten sowohl Licht als auch Schwingung als Teilchen, oder Quanten, beschrieben werden: Lichtenergie wird in diskrete Photonen quantisiert, während Schwingungsenergie in diskrete Phononen (benannt nach dem altgriechischen «photo = Licht» und «phono = Ton») quantisiert wird.

Der oben beschriebene Prozess sollte daher als Spaltung eines vom Laser eintreffenden Photons in ein Paar aus Photon und Phonon betrachtet werden – ähnlich wie die Kernspaltung eines Atoms in zwei kleinere Teile.

Aber das ist nicht das einzige Manko der klassischen Physik. In der Quantenmechanik können Teilchen in einem Überlagerungszustand existieren, wie die berühmte Schrödinger-Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist.

Noch kontraintuitiver: Zwei Teilchen können verschränkt werden und verlieren dabei ihre Individualität. Die einzige Information, die über sie gesammelt werden kann, betrifft ihre gemeinsamen Korrelationen. Da beide Teilchen durch einen gemeinsamen Zustand (die Wellenfunktion) beschrieben werden, sind diese Korrelationen stärker als das, was in der klassischen Physik möglich ist. Sie kann durch entsprechende Messungen an den beiden Teilchen nachgewiesen werden. Wenn die Ergebnisse eine klassische Grenze verletzen, kann man sicher sein, dass sie verschränkt waren.

In der neuen Studie gelang es den EPFL-Forschenden, das Photon und das Phonon (d.h. Licht und Schwingung), die bei der Spaltung eines eintreffenden Laserphotons entstehen, im Inneren des Kristalls zu verschränken. Dafür entwarfen die Forschenden ein Experiment, in dem das Photonen-Phononen-Paar zu zwei verschiedenen Zeitpunkten erzeugt werden konnte. Klassischerweise würde dies zu einer Situation führen, in der das Paar zum Zeitpunkt t1 mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % oder zu einem späteren Zeitpunkt t2 mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % erzeugt wird.

Aber hier kommt der «Trick», den die Forscher angewandt haben, um einen verschränkten Zustand zu erzeugen. Durch eine präzise Anordnung des Experiments sorgten sie dafür, dass nicht einmal die schwächste Spur des Entstehungszeitpunkts des Licht-Schwingungspaares(t1 vs. t2) im Universum zurückblieb. Mit anderen Worten: Sie löschten die Information über t1 und t2. Die Quantenmechanik sagt dann voraus, dass das Phononen-Photonen-Paar verschränkt wird und in einer Überlagerung der Zeiten t1 und t2 existiert. Diese Vorhersage wurde durch die Messungen wunderbar bestätigt, die Ergebnisse ergaben, die mit der klassischen Wahrscheinlichkeitstheorie unvereinbar sind.

Indem die neue Studie die Verschränkung von Licht und Schwingung in einem Kristall zeigt, den man während des Experiments in der Hand halten konnte, schlägt sie eine Brücke zwischen unserer täglichen Erfahrung und dem faszinierenden Reich der Quantenmechanik.

«Quantentechnologien werden als die nächste technologische Revolution in den Bereichen Computing, Kommunikation und Sensorik gehandelt», sagt Christophe Galland, Leiter des Labors für Quanten- und Nano-Optik an der EPFL und einer der Hauptautoren der Studie. «Sie werden derzeit von Spitzenuniversitäten und grossen Unternehmen weltweit entwickelt, aber die Herausforderung ist gewaltig. Solche Technologien sind auf sehr fragile Quanteneffekte angewiesen, die nur bei extrem kalten Temperaturen oder im Hochvakuum überleben. Unsere Studie zeigt, dass sogar ein gewöhnliches Material bei Umgebungsbedingungen die empfindlichen Quanteneigenschaften erhalten kann, die für Quantentechnologien erforderlich sind. Das hat allerdings seinen Preis: Die Quantenkorrelationen, die durch Atomschwingungen im Kristall aufrechterhalten werden, gehen nach nur 4 Pikosekunden verloren – das sind 0,000000000004 einer Sekunde! Diese kurze Zeitskala ist aber auch eine Chance für die Entwicklung ultraschneller Quantentechnologien. Aber es liegt noch viel Forschungsarbeit vor uns, um unser Experiment in ein nützliches Gerät zu verwandeln – eine Aufgabe für zukünftige Quanteningenieurinnen.»