So oder so ähnlich kann man sich verschränkte Quantenteilchen vorstellen.
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Bekanntermaßen braucht die Erde 24 Stunden, um sich einmal um sich selbst zu drehen, genauer gesagt 23 Stunden, 56 Minuten und 4,0989 Sekunden. Das bedeutet, dass wir uns in unseren Breiten mit etwa 1000 Kilometern pro Stunde um die Erdachse drehen, am Äquator wird ein Spitzentempo von rund 1670 km/h erreicht. Warum spüren wir das nicht? Weil sich alles rund um uns herum mitdreht. Das ist vergleichbar mit einem Flug über den Wolken, bei dem wir die rasende Geschwindigkeit kaum mitbekommen. Dass alles auf und über der Erde mit ihr mitrotiert, liegt an der Gravitation. Und schon sind wir mitten in der Materie.

Denn Gravitation ist ein Phänomen der klassischen Regeln der Physik, wie sie auch in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beschrieben sind. Mit der Quantenphysik, deren bizarre Phänomene das Verhalten der allerkleinsten Teilchen bestimmen, hat sich eine neue Welt aufgetan, deren Gesetzmäßigkeiten sich bisher nicht mit denen der Relativitätstheorie vereinen lassen. Wissenschafterinnen und Wissenschafter sind daher auf der Suche nach Systemen, in denen beide Bereiche zusammenfinden können.

Ein Wiener Physik-Team hat nun mit einem ausgeklügelten Experiment möglicherweise eine Grundlage für eine Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie geschaffen. Dabei haben sie die Erdrotation mithilfe von Quantenverschränkung gemessen, und zwar genauer, als das jemals mit dieser Herangehensweise gelungen ist, wie sie im Fachmagazin Science Advances berichten.

Schwieriger Nachweis

Um die beiden Theorien zusammenzubringen, braucht es unter anderem Methoden für Präzisionsmessungen, wo mit Quantensystemen Phänomene vermessen werden können, die durch die Gravitation beeinflusst werden. Das Fernziel der Physiker um Philip Walther von der Universität Wien ist es, einmal so sensible und stabile Quantensensoren zu entwickeln, dass mit ihnen der Einfluss kleinster Gravitationsänderungen auf die Quantenverschränkung gemessen werden kann.

Ein Schritt in diese Richtung ist dem Team nun gelungen: Die Basis dafür ist ein sogenanntes "Sagnac-Interferometer". Das ist seit über 100 Jahren das empfindlichste Gerät für die Messung von Rotation. Diese nämlich zweifelsfrei festzustellen ist gar nicht so einfach, vor allem, wenn man sich während der Messung selbst in Rotation befindet, wie es eben bei der Erdrotation der Fall ist. Ein historischer Nachweis gelang etwa 1851 mit dem Foucault'schen Pendel.

Beim Sagnac-Interferometer werden Lichtteilchen (Photonen) vom selben Punkt aus gestartet, dann wird der Laserstrahl geteilt, und beide Teilstrahlen laufen in entgegengesetzter Richtung. Sieht man am Detektor am Ende der Schleife die charakteristischen Interferenzstreifen, zeigt das an, dass sich das Gerät in Rotation befindet, und erlaubt das Messen selbiger. Beim Sagnac-Effekt kommen die beiden Teilchen zu unterschiedlichen Zeiten am Ausgangspunkt an.

Schematische Darstellung mit Erde und verschränkten Teilchen
Diese Darstellung des Experiments veranschaulicht stark vergrößert das verwendete Schema. Ausgehend von einer lokalen Position (Wien) der rotierenden Erde treffen zwei ununterscheidbare Photonen auf einen Strahlteilerwürfel, verschränken sich miteinander und werden dann gekoppelt.
Marco Di Vita

Ein Teilchen auf zwei Wegen

Die Wiener Gruppe hat sich an die Konstruktion eines daran angelehnten Interferometers gemacht, das mit Quantenverschränkung arbeitet: "Wir nehmen zwei Lichtteilchen, die wir zu einer Gabelung schicken." Dort werden die beiden Teilchen als Paar in einen Zustand der Überlagerung beziehungsweise Verschränkung gebracht, sodass beide Lichtteilchen gleichzeitig gegenläufig beide Wege nehmen. "Sie verhalten sich wie ein einziges Teilchen, das beide Richtungen gleichzeitig testet", schildern die Forscher.

Befindet sich das Messgerät in Rotation, verändern sich aber die beiden Weglängen minimal, "wenn das eine Lichtteilchen ein bisschen mit der Erddrehung mitgeht und das andere sich ein wenig dagegen bewegt", erklärt Walther. Da aber die Teilchen nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein können, findet eine Art Korrektur der Weglänge beziehungsweise der Umlaufzeit statt.

Am Ende seiner Wege kommt das Paar dann wieder bei einer Weggabelung mit zwei möglichen Ausgängen an, wo es detektiert wird. Normalerweise würden bei beiden Ausgängen über die Zeit hinweg statistisch gesehen gleich viele Photonenpaare ankommen. Ist das System in Rotation, verschiebt sich dieses Verhältnis. Im Fall eines Quanten-Sagnac-Interferometers fällt diese Veränderung bei Quantenlicht größer aus als bei "normalem" Licht.

Um das zu sehen, mussten die Physiker einen Aufbau realisieren, bei dem zwei exakt gleich lange, zwei Kilometer lange Glasfasern auf einer großen Spule aufgewickelt wurden. Das ist nötig, weil die zu erwartenden Effekte so extrem klein sind.

Laboraufbau
Für das von den Forschern verwendete Sagnac-Interferometer wurden zwei Kilometer Glasfasern um einen 1,4 Meter großen quadratischen Aluminiumrahmen gewickelt.
Raffaele Silvestri

Vorgegaukelter Stillstand

Zusätzlich musste das Team einen Weg finden, Photonen ohne den Einfluss der Erdrotation zu beobachten, um einen Vergleichswert zu erhalten. Da man die Erdrotation natürlich nicht für das Experiment stoppen kann, haben die Wissenschafter einen Weg gefunden, wie man "dem Licht im Grunde genommen vorgaukelt, dass es sich in einem nicht rotierenden Universum befindet", formuliert es der Hauptautor der Studie, Raffaele Silvestri.

Letztlich komme man so auf eine auf Quantenverschränkung basierende Messung, die tausendfach präziser ist als alle bisherigen Experimente aus diesem Bereich. Und: "Wir haben erstmals gezeigt, dass so ein System über Tage stabil laufen kann", sagt Walther.

Dass man mit dem Quanten-Sagnac-Interferometer bei weitem nicht so genau misst wie mit der langerprobten, laserbasierten Methode, stört die Forscher nicht. "Für uns ist es schon ein großer Durchbruch zu zeigen, dass man diese Kontrolle über Quantenlicht tatsächlich bekommen kann." Der nächste Schritt sei nun, noch deutlich sensiblere Geräte auf Basis der Erkenntnisse zu bauen, die es in "drei bis fünf Jahren erlauben, auch den Einfluss der Gravitation zu messen, der noch viel schwächer als die Erdrotation ist".

Das bringe das Team seinem Ziel näher: "Herauszufinden, wie die Quantenphysik und die Gravitation zusammenspielen", fasst Walther zusammen. "Wir machen den ersten 'Meilenstein' dorthin und zeigen, dass die Quantentechnologie heute so weit entwickelt ist, dass wir in diesen sensiblen Bereich kommen." (red, APA, 14.6.2024)