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Kontakt mit der Quantenwelt : Quanten spuken im Sichtfeld

Zwei miteinander verschränkte Trommeln schlagen synchron im Quantentakt. Bild: www.nist.gov

Mikrowellenpulse zwingen mikromechanisch Oszillatoren in jenen quantenmechanisch verschränkten Zustand, den Einstein einst spukhafte Fernwirkung nannte. Die winzigen Trommeln schwingen synchron im Takt.

          3 Min.

          Elektronen, die scheinbar unüberwindliche Hindernisse durchtunneln oder Atome, die sich an mehreren Orten gleichzeitig aufhalten – in der Quantenwelt ist bekanntlich vieles möglich, was in der Alltagswelt unvorstellbar ist. Aber wo beginnt das Reich der Quanten, und wo endet es? Gelten die Quantengesetze auch für Objekte, die man mit dem bloßen Auge erkennen kann? Diese Fragen, die schon die Väter der Quantenphysik – Albert Einstein, Nils Bohr und Erwin Schrödinger – beschäftigten, haben sich jetzt eine amerikanische und eine finnische Forschergruppe gestellt. Beiden Gruppen ist es gelungen, zwei mikrometergroße Oszillatoren in jenen quantenmechanischen Zustand zu bringen, den Albert Einstein einst als spukhafte Fernwirkung bezeichnete.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Verschränkung ist wohl das seltsamste Phänomen der Quantentheorie. In unserer Alltagswelt, die von der klassischen Physik bestimmt wird, gibt es dafür keine Entsprechung. Zwei verschränkte Teilchen zeigen ein perfekt aufeinander abgestimmtes Verhalten, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Misst man die Eigenschaft eines Teilchens, liegt augenblicklich auch die Eigenschaft des verschränkten Partners fest.

          Im Labor und in Freilandversuchen ist die Gültigkeit dieses „spukhaften“ Phänomens mit Atomen und Photonen und anderen Quantenteilchen auf Herz und Nieren getestet worden. Auch gelang es bereits, einzelne Lichtteilchen und Atomwolken mit winzigen oszillierenden Federbalken miteinander zu koppeln. Zwei makroskopische Objekte quantenphysikalisch zu verschränken, stellt die Physiker vor besonders großen Herausforderungen. Insbesondere muss man die Objekte möglichst perfekt von jeglichen störenden Einflüssen aus der Umgebung abschirmen. Das wird umso schwieriger, je massereicher die Objekte sind. Es bedarf eines Vakuums, vor allem aber einer besonderen Kühltechnik.

          Der experimentelle Aufbau der Wissenschaftler um John Teufel vom National Institute of Technology (NIST) in Boulder, der bequem auf einem Chip Platz findet, besteht aus einem supraleitenden Mikrowellenresonator und zwei flachen mikromechanischen Oszillatoren. Die beiden extrem dünnen und gut zwanzig Mikrometer großen Membranen aus Aluminium können Trommelfellen gleich frei schwingen, aber mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Sie bilden gleichzeitig die oberen Platten von zwei Kondensatoren. Der spiralförmige Resonator wurde so dimensioniert, dass er Mikrowellenstrahlung einer bestimmten Frequenz absorbiert oder emittiert.

          Membranen unterlaufen das Quantenlimit

          Zunächst galt es, die beiden Membranen so weit abzukühlen, dass sie fast in Ruhe waren. Das erfolgte zunächst mit flüssigem Helium und dann mit einem Kühlverfahren, das man üblicherweise in der Atomphysik nutzt. Dort bringt man Atome bis auf tiefste Temperaturen, indem man den Teilchen mit Laserstrahlen sukzessive Bewegungsenergie entzieht, bis sie fast in Ruhe sind – für ein Objekt aus etwa einer Billion Atome kein leichtes Unterfangen.

          Die zwei mikromechanischen Membranen bilden die oberen Plättchen von zwei Kondensatoren. Sie sind mit einem supraleitenden spiralförmigen Mikrowellenresonator verbunden. Die Oszillatoren schwingen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Im verschränkten Zustand oszillieren sie aber im gleichen Takt.
          Die zwei mikromechanischen Membranen bilden die oberen Plättchen von zwei Kondensatoren. Sie sind mit einem supraleitenden spiralförmigen Mikrowellenresonator verbunden. Die Oszillatoren schwingen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Im verschränkten Zustand oszillieren sie aber im gleichen Takt. : Bild: John Teufel, NIST

          Ähnlich wie beim Laserkühlen strahlten die Forscher um Teufel Mikrowellenpulse ein. Diese koppelten über den Resonator an die Aluminium-Membranen, die daraufhin einen Teil ihrer Schwingungsenergie abgaben – in Form von Mikrowellen höherer Energie. Auf diese Weise verloren die Oszillatoren Schritt für Schritt ihre noch verbliebene Wärmeenergie. Die Temperatur der mechanischen Oszillatoren sank auf Millionstel Grad über dem Nullpunkt. Die Membranen waren eingefroren.

          Um die beiden Membranen miteinander zu verschränken, nutzen die Forscher abermals Paare von Mikrowellenpulsen. Nur lagen deren Frequenzen jetzt geringfügig oberhalb und unterhalb der jeweiligen Eigenfrequenzen der Membranen. Als die Pulse eine bestimmen zeitlichen Dauer erreicht hatten, stellte sich ein korreliertes Schwingungsverhalten zwischen beiden Membranen ein. Sie oszillierten eine Millisekunde lang perfekt in der Phase mit der gleichen Frequenz. Hob oder senkte sich eine Membran, dann tat das die andere auch. Dass tatsächlich beide Membranen miteinander verschränkt waren, zeigten Radarsignale eingestrahlter Mikrowellen. In deren Verlauf spiegelte sich das synchrone Schwingungsverhalten der beiden Membranen. So konnten die Forscher um Teufel das verschränkte Verhalten direkt beobachten.

          Die finnischen Forscher von der Universität Aalto verwendeten einen analogen Aufbau. Auch hier dienten Mikrowellenpulse dazu, den Membranen ein aufeinander abgestimmtes Schwingungsverhalten aufzuzwingen. Allerdings schwangen die Trommeln in diesem Fall perfekt asynchron. Das erlaubte es den Forschern, die Auslenkung und die Geschwindigkeit der Oszillatoren gleichzeitig zu messen und damit das Heisenbergsche Unschärfeprinzip zu umgehen, schreiben Mika Sillianpäa und seine Kollegen ebenfalls in der Zeitschrift Science. Das sei möglich,weil man es hier mit einem kollektiven Schwingungszustand zu tun habe und nicht mit einzelnen Teilchen.

          Mit ihren Experimenten ist es beiden Forschergruppen gelungen, den Geltungsbereich der Quantenwelt ein weiteres Stück nach oben zu verschieben. Ihre Versuche haben auch die Tür für zahlreiche Anwendungen geöffnet, etwa für empfindliche Quantensensoren oder Quantenspeicher, die leichter zu handhaben sind als einzelne Atome oder Molekülwolken.

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