Im Gleichklang schwingen

Oszillatoren quantenmechanisch verschränkt

Von Rainer Scharf

Die Quantenphysik bringt Ordnung in die Beobachtungen, die wir in der Welt der Atome und Elementarteilchen machen. Dazu benutzt sie Quantenzustände, die oftmals so bizarr sind, dass sie keine Entsprechung in der Alltagswelt haben. So können zwei Objekte in einem gemeinsamen "verschränkten" Quantenzustand sein, in dem sie ihr Verhalten enger abstimmen, als es nach den Gesetzen der klassischen Physik möglich ist. An Elektronen, Atomen und Photonen hat man die Verschränkung schon beobachtet. In der Alltagswelt hätte sie hingegen verblüffende Konsequenzen - etwa so, als wenn zwei normale Spielwürfel bei gleichzeitigem Wurf stets übereinstimmende Augenzahlen zeigten. Bei den bisher beobachteten Verschränkungen von Teilchen waren nur deren "interne" Quanteneigenschaften gefragt, für die es keine analogen Eigenschaften in der klassischen Physik gibt. Doch jetzt hat man erstmals die Schwingungen zweier winziger mechanischer Oszillatoren miteinander verschränkt, womit der Weg in die Welt der "makroskopischen" Objekte geebnet worden sein könnte.

Wie John Jost und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature" (Bd. 459, S. 683) berichten, bestanden die beiden Oszillatoren jeweils aus zwei elektrisch positiv geladenen Atomen, einem Berylliumund einem Magnesiumion, die gegeneinander schwingen konnten. Das haben die Forscher dadurch erreicht, dass die Ionen in einer sogenannten linearen Paul-Falle mit elektrischen Wechselfeldern festgehalten wurde. Die vier Ionen waren wie Perlen auf einer Schnur angeordnet und ließen sich zusammenschieben oder in zwei Paare trennen. Da sich die beiden Ionen eines Paares elektrostatisch abstießen, aber zugleich von der Paul-Falle zusammengehalten wurden, konnten sie schwingen, als wären sie durch eine elastische Feder miteinander verbunden.

Für die quantenmechanische Verschränkung dieser Oszillatoren gingen die Forscher schrittweise vor. Zunächst schoben sie die vier Atome zusammen und setzten sie einem Magnetfeld aus. Dadurch ließen sich zwei spezielle Quantenzustände der einzelnen Berylliumionen besonders leicht mit Laserlicht anregen. Aufgrund ihrer geringen Entfernung konnten sich die Ionen während der Anregung miteinander abstimmen. Entweder gingen beide Ionen in den einen oder beide in den anderen Zustand über. In welchem Zustand sie tatsächlich waren, blieb dabei in der Schwebe und entschied sich erst, wenn die Ionen direkt beobachtet wurden. Somit waren zunächst einmal die internen Quantenzustände der beiden Berylliumionen verschränkt. Auf ähnliche Weise hatte man schon früher bis zu acht Ionen miteinander verschränken können.

Die interne Verschränkung der Berylliumionen haben die Forscher auf die mechanischen Oszillatoren übertragen. Zuerst zogen sie die beiden Ionenpaare in der Paul-Falle auseinander, bis ihre Entfernung 0,24 Millimeter betrug - eine für Atome geradezu astronomische Distanz, die jede direkte Wechselwirkung zwischen den Ionenpaaren ausschloss. Die Ionen erwärmten sich dabei und begannen heftig zu schwingen. Deshalb kühlten die Forscher sie mit Laserlicht so weit ab, dass sie wieder zur Ruhe kamen. Auch nach dieser Prozedur waren die beiden Berylliumionen noch miteinander verschränkt. Da sich die Beryllium- und die Magnesiumionen kaum mehr bewegten, befanden sich die beiden Oszillatoren in ihrem quantenmechanischen Grundzustand. Durch Aufnahme eines Schwingungsquants konnten sie jedoch in einen Anregungszustand übergehen. Diese beiden Zustände nutzten Jost und seine Kollegen dazu, die Oszillatoren miteinander zu verschränken.

Mit einer komplizierten Folge von wohldosierten Laserpulsen, die sie erst auf das eine Berylliumion und dann auf das andere richteten, gelang es den Forschern, die Anregungen der Ionen auf die Oszillatoren zu übertragen. Damit ging auch die Verschränkung der Ionen auf die schwingenden Atompaare über. Am Ende waren die Schwingungen beider Atompaare perfekt miteinander abgestimmt. Entweder waren beide Oszillatoren in Ruhe, oder beide trugen genau ein Schwingungsquant. In welchem Zustand sie tatsächlich waren, entschied sich wiederum erst, wenn beide Atompaare einer Messung unterzogen wurden. Diese Messung war recht aufwendig, und sie nutzte die beiden Berylliumionen gewissermaßen als Messfühler, der ihnen einen Einblick in den Zustand der Oszillatoren gewährte. Am Ende zeigte sich, dass die beiden mechanischen Oszillatoren tatsächlich miteinander verschränkt gewesen waren. Sie konnten ihre Schwingungen trotz der großen Entfernung zueinander perfekt miteinander abstimmen.

Das Verfahren, mit dem die Forscher die Verschränkung von zwei Ionen auf zwei Oszillatoren übertragen haben, lässt sich vielleicht dazu nutzen, mechanische Oszillatoren miteinander zu verschränken, die aus vielen Atomen bestehen. Auf diese Weise könnte man überprüfen, ob die Quantenphysik auch für diese makroskopischen Objekte uneingeschränkt gültig ist oder ob sie modifiziert werden muss. Die nahezu perfekte Kontrolle, die Jost und seine Kollegen über die Ionen und ihre Quantenzustände haben, könnte ihnen auch beim Bau und Betrieb eines Quantencomputers von Nutzen sein.

Text: F.A.Z., 10.06.2009, Nr. 132 / Seite N2