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Fernwirkung im Makrokosmos : Quantenspuk mit Diamanten

Schematische Darstellung von zwei verschränkten Dimanten. Bild: Science/AAAS

Nicht nur Atome und Lichtteilchen unterliegen der quantenphysikalischen Fernwirkung. Auch millimetergroße Diamanten können ein starkes abgestimmtes Verhalten zeigen, dass man nicht mit der klassischen Physik erklären kann.

          Das Phänomen der Verschränkung - von Einstein einst als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet - ist offenkundig nicht nur auf Objekte der Quantenwelt wie Photonen, Elektronen oder Atome reduziert. Auch Diamantkristalle, die man sogar mit dem bloßen Auge sehen kann, können ihr Verhalten so eng miteinander abstimmen, wie es nur die Quantenphysik ermöglicht. Das haben Forscher um Ian Walmsley von der University of Oxford herausgefunden, als sie in zwei drei Millimeter großen Diamantkristallen kollektive Gitterschwingungen anregten und diese anschließend auf optischem Weg miteinander koppelten. Die beiden verschränkten Edelsteine verhielten sich wie ein einheitliches System. Der Schwingungszustand des einen Kristalls bestimmte den Zustand des anderen Kristalls und umgekehrt, obwohl beide Diamanten fünfzehn Zentimeter voneinander entfernt waren und damit keinen direkten Kontakt hatten.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Schwingen im Kollektiv

          Für ihr Experiment plazierten Walmsley und seine Kollegen die Diamanten in den Strahlengang eines optischen Interferometers aus Spiegeln, Polarisatoren und Strahlteilern und bestrahlten die Kristalle gleichzeitig mit extrem kurzen Laserpulsen eines Infrarotlasers. Die Wellenlänge der einfallenden Lichtpulse hatte man so gewählt, dass diese kollektive optische Gitterschwingungen im Kristall anregten, an denen rund 1016 Kohlenstoffatome beteiligt waren. Da Diamanten gewöhnlich recht starr sind, besitzen diese optischen Phononen eine hohe Frequenz, so dass sie anders als ihre akustischen Pendants nur optisch über kurze Lichtpulse und nicht durch Wärmestrahlung angeregt werden können. Aus diesem Grund mussten die Forscher für ihr Vorhaben die Diamanten nicht kühlen.

          Indiz für Spuk

          Infolge der Anregung sandten die beiden Kristalle ihrerseits Lichtteilchen aus, deren Wellenlänge etwas größer war als die der einfallenden Laserpulse. Die Photonen wurden über einen Strahlteiler zusammengeführt und zur Überlagerung gebracht, bevor sie ein Photodetektor registrierte. Wie die Forscher in der Zeitschrift "Science" (Bd. 334, S. 1253) berichten, ließ sich nicht feststellen, von welchem Diamanten die ankommenden Photonen jeweils stammten. Für Walmsley und seine Kollegen ein eindeutiges Indiz dafür, dass die beiden Diamanten sich in einem verschränkten Zustand befanden und sich trotz der großen Distanz untereinander wie ein einheitliches Quantensystem verhielten.

          Test mit Probephotonen

          Die Verschränkung dauerte allerdings nur sieben Pikosekunden und war somit äußert kurzlebig. Die Ursache dafür war vor allem die Wärmebewegung des Kristallgitters, die die Fernwirkung schnell zerstörte. Um Auskunft darüber zu erhalten, wie stark die beiden angeregten Kristalle miteinander korreliert waren, strahlten die Forscher noch innerhalb der sieben Pikosekunden weitere Laserpulse ein, die mit den angeregten Kristallschwingungen in Wechselwirkung traten, wodurch sich deren Wellenlängen verringerten beziehungsweise deren Energie erhöhte. Anschließend wurden die Photonen, die durch diesen Streuprozess erzeugt wurden, zur Überlagerung gebracht und nachgewiesen. Das Signal lieferte den Forschern Informationen über den Grad der Verschränkung, der einen maximalen Wert von 99 Prozent erreichte. Somit waren die beiden Diamanten fast vollständig miteinander verschränkt.

          Erschließung des Makrokosmos

          Die Ergebnisse sind umso erstaunlicher, da das Experiment bei Raumtemperatur ausgeführt wurde und die Diamanten einen recht großen Abstand voneinander hatten. Die Forscher um Walmsey hoffen, durch Kühlung die Verschränkung der Diamanten deutlich verlängern zu können. Dann ließen sich durch eine schnelle Folge kurzer Laserpulse logische Operationen mit den Diamanten vollziehen, wie es für die Quanteninformationsverarbeitung erforderlich ist. Nach supraleitenden Leiterschleifen und mikromechanischen Oszillatoren hat man mit den Diamanten ein weiteres makroskopisches System erschlossen, an dem sich die quantenmechanische Fernwirkung beobachten lässt.

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