Wissenschaftler übergroßen Quanteneffekte mit verschränktem Trommelduett

Eines der lästigeren Ergebnisse der Quantenmechanik ist die Offenbarung, dass die Realität größtenteils eine anhaltende Illusion ist. Die Quantenmechanik ist nicht nur eine Theorie des Mikroskops: Alle Materie ist im Grunde genommen Quantenmechanik – es kommt nur so vor, dass seltsame Quanteneffekte in etwas, das größer als ein paar Atome ist, schwer zu beobachten sind. Wie die flackernden Silhouetten an der Wand in Platons Allegorie der Höhle ist die Existenz makroskopischer, sogenannter „klassischer“ Objekte nur ein Schatten, der von ihren wahren Quantenformen geworfen wird. Dies ist nichts Neues für Physiker, die seit mehr als einem Jahrhundert in der Quantenwelt herumspielen und sich größtenteils nicht von dem zerfallenden Gebäude der Realität stören lassen.

Zwei neue Artikel veröffentlicht am Donnerstag in Wissenschaft Verschieben Sie die Grenzen der Quanteneffekte, die Physiker auf makroskopischer Ebene erzielen können. In beiden Studien wurden solche Effekte in dünnen Aluminiumtrommeln von der Größe roter Blutkörperchen beobachtet. In der ersten Studie haben US-amerikanische und israelische Forscher die Quantenverschränkung zwischen den Trommeln direkt und zuverlässig gemessen. In der zweiten Studie, die von einem finnischen Team geleitet wurde, wurden verwickelte Trommeln gemessen, wobei „Back Action“ vermieden wurde. Dies ist das unvermeidliche Geräusch, das mit dem Versuch verbunden ist, die Position und den Impuls eines Objekts zu messen.

In der klassischen Welt gibt es keine theoretische Grenze für die Genauigkeit solcher Messungen. Das Unsicherheitsprinzip, das der deutsche Physiker Werner Heisenberg in den 1920er Jahren formuliert hat, besagt jedoch, dass es eine grundlegende Grenze dafür gibt, wie gut die Position und der Impuls eines Objekts wie einer Trommel bekannt sein können. „Mit den in diesen beiden Abhandlungen beschriebenen Tricks können Sie umgehen, was Ihrer Meinung nach die Grenze für die Messung von Kräften ist, die sich aus dem Heisenbergschen Unsicherheitsprinzip ergeben“, sagt Aashish Clerk, ein Physiker für kondensierte Materie an der Universität von Chicago, der nicht daran beteiligt war entweder studieren.

Sowohl Verschränkung als auch Umgehungshinterziehung wurden zuvor in makroskopischen Systemen beobachtet, jedoch auf unterschiedliche und wohl begrenzte Weise. 2018 verwickelte eine andere Forschergruppe zwei Siliziumstreifen. Andere Experimente haben sogar Schwingungen in Diamanten verwickelt. Doch die Tricks, die beide Teams in der letzten Zeit demonstriert haben Wissenschaft Papiere haben es ihnen ermöglicht, Quanteneffekte mit weitaus weniger Einschränkungen zu beobachten.

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„Wir entdecken hier nichts Neues über die Quantenmechanik“, sagt Yiwen Chu, Quantenforscherin an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, die an keiner der beiden Studien beteiligt war. Für diese Messungen sind jedoch immer noch „sehr beeindruckende technologische Fortschritte“ erforderlich, sagt sie.

Dieses arkane Forschungsgebiet hat ein einfaches übergeordnetes Ziel: „Etwas Großes in einen Quantenzustand bringen“, sagt Clerk. Die Anwendungen reichen von Quantencomputern bis zu Problemen in der Physik, die subatomare Präzision erfordern, wie beispielsweise die Detektion dunkler Materie oder Gravitationswellen.

Einige Forscher, wie Mika Sillanpää, Physiker an der Aalto-Universität in Finnland und Mitautor der zweiten Arbeit, möchten empfindliche Quanteneffekte messen, sind jedoch durch die klassische Natur ihrer makroskopischen Messinstrumente eingeschränkt. Sillanpää hofft, die Quantengravitation untersuchen zu können, indem er Quanteneffekte in den makroskopischen Bereich bringt – oder anders ausgedrückt, klassische Objekte zu ihrem wahren Quantenselbst zurückbringt.

Fortschritte in der Quantentechnologie werden manchmal für ihren potenziellen Verbrauchernutzen angepriesen. Die neuen Entwicklungen sind zwar aufregend, aber „nichts für Mobiltelefone“, sagt Sillanpää trocken.

Verstrickung trommeln

Es wurden mehr Analogien zur Erklärung der Quantenverschränkung heraufbeschworen als bei fast jedem anderen Phänomen in der Physik. Shlomi Kotler, Physikerin am Nationalen Institut für Standards und Technologie und Mitautorin des ersten Papiers, bietet eine einfache Definition: Objekte werden verwickelt, wenn ihre Positionen oder Impulse genauer bekannt sind als die anfängliche Unsicherheit dieser Positionen oder Impulse. Verschränkung ist einfach eine Korrelation zwischen Objekten – ob es sich um Elektronen oder Aluminiumtrommeln in Mikrometergröße handelt -, die über das hinausgeht, was mit einer klassischen Beziehung möglich ist.

Um eine Verschränkung zu erreichen, stellten die beiden Teams fein abgestimmte Aluminiumtrommeln her, platzierten sie auf einem Kristallchip, kühlten das Setup auf nahezu Null ab und schlugen dann beide Trommeln mit einem Impuls aus Mikrowellenstrahlung.

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„Diese beiden Trommeln sprechen mechanisch überhaupt nicht miteinander“, sagt John Teufel, Physiker am NIST und Mitautor des ersten Papiers. „Die Mikrowellen dienen als Vermittler, mit dem sie miteinander sprechen können. Und das Schwierige ist, sicherzustellen, dass sie stark miteinander sprechen, ohne dass irgendjemand im Universum Informationen über sie erhält. “

Von den Mikrowellen getroffen, vibriert jede Trommel und steigt etwa um die Breite eines Protons auf und ab. Diese winzige Bewegung ist als Änderung der Spannung eines an die Trommeln angeschlossenen Stromkreises erkennbar.

“Die Verschränkung der Bewegung zweier Atome ist bereits ein hartes, heldenhaftes Experiment”, sagt Teufel. Im Vergleich dazu hat jede Trommel ungefähr eine Billion Atome. Während einzelne Teilchen diskrete Quantenzustände wie Hoch- oder Runterdrehen aufweisen, können sich die Trommeln beim Wackeln in einer kontinuierlichen Verteilung von Amplituden oder Schwingungsabständen befinden.

Wenn die Trommeln jedoch empfindlich genug sind, um vom Mikrowellenpuls verwickelt zu werden, und relativ rauschfrei sind, werden ihre Amplituden stark korreliert. Wenn Sie die Amplitude einer Trommel messen, erfahren Sie, wie groß die Amplitude der anderen Trommel ist. Wenn beispielsweise eine Trommel mit einer hohen Amplitude gemessen wird, muss die andere eine niedrige Amplitude haben.

“Sie brauchen nur ein wirklich sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis für Ihre Messungen”, sagt Clerk. “Dies ist vielleicht das erste Experiment mit solchen Systemen, bei dem dies erreicht wurde.”

Tatsächlich ist dieses Verhältnis so niedrig, dass es möglich ist sehen der Effekt der Verschränkung durch einfaches Auftragen der räumlichen Beziehung zwischen den Positionen der beiden Trommeln. In den Tausenden von Datenpunkten gibt es eine unheimliche Korrelation – ein Beweis dafür, dass die klassische Realität zweier getrennter Trommeln ein Schatten einer tieferen Wahrheit ist, in der die Verschränkung sie zu einem einzigen Quantenobjekt macht.

Versteckt vor Heisenberg

Anstatt die Trommeln wiederholt zu schlagen, um sie mehrmals zu verwickeln, schuf das zweite Team eine lang anhaltende Verstrickung mit einer Methode, die eher einem Trommelwirbel als einem einzelnen Schlag ähnelte. Durch die Schaffung dieses stabilen Zustands konnten die Forscher viele Messungen derselben Verschränkung durchführen, um das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip zu umgehen.

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Dieses Prinzip wird oft fälschlicherweise so beschrieben, dass jede noch so kleine Messung einem Objekt einen Tritt geben muss, was zu Unsicherheit führt. „Das Unsicherheitsprinzip besagt, dass es einige Dinge gibt [for which] Sie dürfen nicht beide perfekt messen “, sagt Clerk. „Es gibt noch andere Dinge [for which] Es freut Sie sehr, gleichzeitig und perfekt zu messen.

Zum Beispiel gibt es keine Begrenzung, wie genau Sie die Position oder den Impuls eines Objekts kennen können. Das Problem tritt auf, wenn Sie versuchen, beide gleichzeitig zu messen. Back-Action-Evasion ist ein Weg, um diese Einschränkung zu umgehen, ohne Heisenbergs Diktat tatsächlich zu verletzen. Anstatt die Position und den Impuls jeder einzelnen Trommel zu messen, haben Sillanpää und seine Kollegen im Wesentlichen die kombinierte Summe des Impulses der Trommel durch ihre Auswirkung auf die Schaltungsspannung gemessen.

„Nichts verstößt gegen das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip. Sie haben gerade eine Reihe von Fragen ausgewählt, bei denen Sie nicht nach verbotenen Dingen fragen “, sagt Chu.

Die Möglichkeiten der Präzision, die diese beiden Experimente demonstrieren, sind faszinierend. Es ist nicht schwer sich vorzustellen, dass ähnliche Trommeln eines Tages verwendet werden könnten, um die winzigen Auswirkungen der Quantengravitation auf einer Tischplatte zu untersuchen oder als Teil eines Relais in einem Quantennetzwerk eingesetzt zu werden.

Aber der vielleicht verlockendste Aspekt der Arbeit ist, dass sie uns über alle Anwendungen hinaus einfach der wahren Quantennatur der Welt näher bringt. “Alles, was Sie täglich sehen, sind die Schatten”, sagt Kotler. “Aber mit den richtigen Techniken kann man sehen, dass eine Verschränkung vorhanden ist, die für den nächsten Schritt verwendet werden kann.”

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