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Astronomie|Physik Technik|Digitales

Erster Schritt zum Beamen von Materie gelungen

Dänischen Physikern der Universität Aarhus ist mit Hilfe eines Tricks die Verschränkung von einer Billion Atomen gelungen. Das berichten die Physiker im Fachmagazin Nature. Der bisherige Rekord lag bei ganzen vier Atomen.

Verschränkung ist eine bizarre Eigenschaft der Quantenmechanik, die die Voraussetzung für Quantencomputer und für die Teleportation von Materie bildet. Die Forscher konnten die Verschränkung eine halbe Millisekunde lang aufrecht erhalten.

Die Eigenschaften von Atomen werden in der Quantenmechanik durch Wahrscheinlichkeitsfunktionen beschrieben. Ein Beispiel ist der Spin, das quantenmechanische Gegenstück zum Drehimpuls. Ein Atom kann die Spineigenschaften Up und Down haben, es kann sich aber auch in einem Überlagerungszustand aus diesen beiden Einzelzuständen befinden. In diesem Fall wird das Atom erst durch eine Beobachtung oder Messung dazu gezwungen, sich für einen der beiden Einzelzustände zu entscheiden.

Bizarrer wird die Sache, wenn zwei Atome miteinander verschränkt sind. Verschränkung bedeutet, dass die Spinzustände der beiden Atome voneinander abhängen. Beispielsweise kann die Verschränkung so realisiert worden sein, dass beide Atome den gleichen Spinzustand haben müssen, entweder Up oder Down. Aber auch die gemeinsame Wahrscheinlichkeitsfunktion beider Atome kann eine Überlagerung aus den Grundzuständen sein. Wird in diesem Fall der Spin eines der beiden Atome gemessen, dann wird nicht nur der Spin dieses Atoms dazu gezwungen, sich für eine der beiden Alternativen zu entscheiden, sondern auch der Spin des anderen Atoms muss augenblicklich denselben Spinzustand annehmen. Geschieht dies, wird aber gleichzeitig die Verschränkung zwischen den beiden Atomen aufgehoben.

In der Praxis ist es so, dass die Verschränkung nicht nur durch Beobachtungen oder Messungen aufgehoben wird, sondern bereits durch die kleinste Wechselwirkung eines Atoms mit seiner Umgebung. Solche Wechselwirkungen ereignen sich etwa alle paar Milliardstel Sekunden.

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Wenn die Verschränkung zweier Atome bereits so schnell zerstört wird, dann scheint es ein hoffnungsloses Unterfangen zu sein, eine Billion Atome miteinander eine halbe Millisekunde lang zu verschränken. Der „Trick“ von Brian Julsgaard und seinen Kollegen war nun, den Verlust einzelner Atome aus der Verschränkung in Kauf zu nehmen.

Die Physiker dachten sich einen raffinierten, aus zwei Einzelzuständen bestehenden Überlagerungszustand aus, dem die Wechselwirkung eines einzelnen Atoms mit seiner Umgebung nichts anhaben konnte: Im ersten Einzelzustand hatte etwas mehr als die Hälfte der Atome den Spinzustand Up, im zweiten etwas mehr als die Hälfte den Zustand Down. Mit Hilfe der quantenmechanischen Gesetze lässt sich zeigen, dass in diesem Fall die Wechselwirkung einzelner Atome mit der Umgebung die Verschränkung der restlichen Atome nicht aufhebt.

Julsgaard und seine Kollegen realisierten diese Konstellation mit Cäsiumatomen. Die Verschränkung übertrugen sie mit Laserlicht. Ignacio Cirac von der Universität Innsbruck glaubt: „Jetzt, wo dieses Experiment funktioniert hat, sollte es relativ einfach sein, Atome zu teleportieren.“

Axel Tillemans
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