Forscher der TU Wien messen paradoxes Quantenphänomen

Quanteninformation spielt für viele technische Anwendungen der Quantenphysik eine wichtige Rolle. Nun ist ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der TU Wien auf etwas draufgekommen, das bisher nicht mehr als eine „merkwürdige Vermutung“ war: Geteilte Informationen eines Quantensystems skalieren nicht mit dem Volumen, sondern mit der Fläche.

Das ist insofern eine spannende Erkenntnis, als dass sich Dinge in der „echten Welt“ ganz anders verhalten. Die Information, die ein Buch enthält, hängt etwa vom Volumen des Buchs ab und nicht von der Fläche seines Covers. Das ist in der Quantenwelt anders.

Quanten-Gas ist nicht unabhängig voneinander

„Stellen wir uns einen Gas-Container vor, in dem kleine Teilchen herumfliegen und sich ganz klassisch wie kleine Kügelchen benehmen“, sagt Mohammadamin Tajik vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) - Atominstitut der TU Wien. In so einem Fall würden die Teilchen keine Informationen miteinander teilen. In der Quantenwelt hingegen sehr wohl. Hier teilen sie Informationen und können gar nicht mehr unabhängig voneinander betrachtet werden. „In einem solchen Quanten-Gas ist die geteilte Information größer als null, und sie hängt nicht von der Größe der Subsysteme ab – sondern nur von der äußeren Begrenzungsfläche des Subsystems“, erklärt Mohammadamin Tajik.

Die Vermutung, dass es sich anders als in der „echten Welt“ verhält, wurde nun in einem aufwendigen Experiment unter der Leitung von Jörg Schmiedmayer der TU Wien bestätigt. Dafür untersuchte man eine Wolke aus ultrakalten Atomen. Bis knapp über den absoluten Temperaturnullpunkt wurden die Teilchen abgekühlt und von einem Atom-Chip festgehalten, weil bei extremer Kälte die Quanten-Eigenschaften der Teilchen immer wichtiger werden. So kann sich Information immer mehr im Gesamtsystem ausbreiten.

Kompliziertes Experiment

Laut Schmiedmayer ist das Experiment „sehr herausfordernd“, weil man  dabei vollständige Informationen über das Quantensystem benötige. „Wir erhalten die Information, die wir brauchen, indem wir die Atome ein bisschen stören und dann beobachten, welche Dynamik sich daraus ergibt. Es ist so ähnlich als würde man einen Stein in einen Teich werfen, um aus den entstehenden Wellen dann Information über den Zustand der Flüssigkeit und dem Teich zu erhalten“, so Schmiedmayer.

Die Ergebnisse des Experiments sind auf jeden Fall für die Erforschung der Quantenphysik äußerst relevant, weil sie alle Bereiche betrifft, von der Gravitation bis zur Festkörperphysik. An der Forschung waren unter anderem auch das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, die FU Berlin, die ETH Zürich und die New York University beteiligt. Die Studie wurde im „Nature Physics“ veröffentlicht.