Science
24.03.2014

Tiroler Physiker messen drei verschränkte Photonen

Innsbrucker Physiker haben erstmals drei verschränkte Photonen völlig unabhängig voneinander gemessen und damit erneut die Theorie der Quantenverschränkung bestätigt.

In der Quantenphysik können Teilchen verschränkt und damit wie von Zauberhand miteinander verbunden werden. Immer wieder wird versucht, das Phänomen mit der klassischen Physik zu erklären. Tiroler Physikern haben nun erstmals drei verschränkte Photonen unabhängig voneinander gemessen und damit erneut die Theorie der Quantenverschränkung bestätigt, berichten sie im Fachjournal "Nature Photonics".

Spukhafte Fernwirkung

Die Verschränkung zweier oder mehrerer Objekte ist eines der grundlegendsten Phänomene der Quantenphysik. Mit dem Erfahrungshorizont des Alltags ist es aber nur schwer nachzuvollziehen. Üblicherweise geht man davon aus, dass ein Vorgang nur Auswirkungen auf seine direkte räumliche Umgebung hat - etwa wenn zwei Kugeln zusammenstoßen oder die Gravitation der Sonne auf die Erde wirkt. Doch in der Quantenwelt bleiben verschränkte Teilchen auch über weite Distanzen hinweg stark miteinander verbunden. Albert Einstein sprach deshalb im Zusammenhang mit der Verschränkung zweifelnd von "spukhafter Fernwirkung".

Dieser "Quantenspuk" lässt sich anschaulich mit Spielwürfeln erklären: Könnte man zwei Würfel verschränken, wüsste man bis zur Messung nicht, welche Augenzahl sie zeigen. Nach der Messung eines Würfels würde aber mit Sicherheit beim anderen die gleiche - zufällige - Seite nach oben zeigen. Dabei könnte - der Theorie zufolge - der zweite Würfel am anderen "Ende" des Universums sein, dennoch würde augenblicklich bei der Messung des einen Würfel auch der andere diese Augenzahl zeigen.

700 Meter entfernt

Bei ihren Experimenten müssen sich die Physiker mit kleineren Maßstäben begnügen. Aber immerhin: Der Wiener Quantenphysiker Anton Zeilinger hat 2009 die Verschränkung von Paaren von Lichtteilchen (Photonen) über eine Distanz von 143 Kilometern zwischen zwei Kanaren-Inseln nachgewiesen. Gregor Weihs vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat nun gemeinsam mit Kollegen der University of Waterloo (Kanada) drei Photonen verschränkt und diesen Zustand erstmals völlig unabhängig voneinander an mehreren hundert Meter voneinander entfernten Orten gemessen.

Dazu wurden in einem aufwendigen Versuchsaufbau an der University of Waterloo zwei der drei Photonen an rund 700 Meter entfernte Messstationen geschickt, das dritte wurde am Ort der Photonenquelle gemessen. Die Messung der Polarisation der Lichtteilchen, also ihrer Schwingungsrichtung, erfolgte gleichzeitig an allen drei Orten, und zwar völlig zufällig, wofür jeweils ein Zufallsgenerator sorgt. Dieser Versuchsaufbau sollte "Schummeln" unmöglich machen.

Für Quantenkryptographie

"Damit wollen wir verhindern, dass das Messergebnis eines Photons irgendwie zu einer der anderen Messstationen übertragen wird und damit das Messergebnis beeinflusst", sagte Weihs im Gespräch mit der APA. Denn so wäre das Verhalten der Photonen mit den Regeln der klassischen Physik erklärbar.

Doch wie schon in vielen anderen Versuchen auch zeigte sich die Quantenmechanik in dem Experiment als robust. "Die Verschränkung der Photonen war statistisch klar nachweisbar", so Weihs. Auch drei Teilchen können durch die "spukhafte Fernwirkung" verbunden sein.

Das Experiment bestätigt aber nicht nur die Quantenmechanik, es eröffnet auch Anwendungsperspektiven. So könnte mit Hilfe der Verschränkung die Übermittlung von verschlüsselten Informationen ("Quantenkryptographie") für mehr als zwei Teilnehmer möglich werden.