Forscher beobachten live die Bildung einer Quantenverschränkung ⚛️
Dank äußerst präziser Simulationen ist es Forschern der Universitäten Wien und China gelungen, im Detail zu beobachten, wie zwei Elektronen sich innerhalb von nur wenigen Attosekunden quantenmechanisch miteinander verbinden, einer extrem kurzen Zeitskala, auf der die Verschränkung zwischen den Teilchen auftritt.
Diese Quantenverschränkung schafft eine derart enge Verbindung zwischen zwei Teilchen, dass sie nicht mehr getrennt voneinander beschrieben werden können. Dieses Phänomen ist entscheidend für Technologien wie Quantencomputer und Quantenkryptografie. Ziel der Wissenschaftler in dieser Studie war es, zu verstehen, wie diese Verschränkung entsteht, und das ab dem allerersten Bruchteil einer Sekunde, indem sie Wechselwirkungen zwischen einem Laser und Atomen beobachteten.
Um diese Forschung durchzuführen, verwendeten die Wissenschaftler einen Laser sehr hoher Frequenz, um ein Elektron aus einem Heliumatom herauszulösen, ein Prozess, der ein zweites Elektron anregen kann. Dieses verbleibt dann im Atomkern, jedoch in einem anderen energetischen Zustand. Dieses Phänomen schafft eine Verbindung zwischen den beiden Elektronen: Sie sind nun verschränkt, was bedeutet, dass durch das Studium eines der Elektronen Informationen über das andere abgeleitet werden können.
Die Forscher konnten zeigen, dass der „Geburtsmoment“ des herausgelösten Elektrons, also der Moment, in dem es das Atom unter dem Impuls des Lasers verlässt, eng mit dem Zustand des im Atom verbliebenen Elektrons verbunden ist. Aus quantenmechanischer Sicht existiert dieser Moment nicht: Er ist eine Überlagerung mehrerer möglicher Zeitpunkte.
Diese Überlagerung zeigt, dass der Zeitpunkt, zu dem das Elektron das Atom verlässt, von der Energie des verbleibenden Elektrons abhängt. Wenn Letzteres sich in einem Zustand mit höherer Energie befindet, ist es wahrscheinlich, dass das Elektron früher ausgestoßen wurde. Bei niedrigerer Energie findet der Austritt später statt – im Durchschnitt in einer Größenordnung von 232 Attosekunden, was einer Milliardstel einer Milliardstelsekunde entspricht.
Diese Verzögerung ist unglaublich kurz, ermöglicht es den Forschern jedoch, die Verbindung, die sich zwischen den beiden Elektronen bei ihrer Trennung bildet, genau zu messen. Dieser zeitliche Aspekt ist wesentlich: Das Herausschleudern des Elektrons erfolgt allmählich in Form einer Welle, die „aus“ dem Atom fließt, und in dieser Phase tritt die Verschränkung zwischen den Elektronen auf.
Die Wissenschaftler hoffen nun, diese Beobachtungen mit anderen Teams im Labor zu wiederholen, um dieses Modell zu validieren. Diese Arbeiten ermöglichen es, neue Grenzen der Quantenphysik zu erkunden, bei denen Phänomene, die früher als augenblicklich galten, sich in Wirklichkeit als viel komplexer und strukturierter erweisen.