Eine Glaskugel mit nur 100 Nanometern Durchmesser schwebt im Vakuum und bildet mit vorbeiziehendem Licht einen quantenmechanischen Verbund. Physiker in Florenz haben diese Verschränkung bei Raumtemperatur experimentell nachgewiesen. Die Bewegung des winzigen Objekts bleibt dabei mit einem Lichtfeld verbunden, das den Versuchsaufbau verlässt. Entscheidend ist eine Messzahl, die eine Grenze der klassischen Physik unterschreitet.
Im Labor der Universität Florenz halten Physiker eine winzige Glaskugel mit einem fokussierten Laserstrahl frei in der Schwebe. Francesco Marin und seine Kollegen Quentin Deplano, Antonio Pontin und Francesco Marino untersuchten, wie sich die Bewegung der Kugel mit Licht verbinden lässt. Ihre Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Science und beschreiben einen quantenmechanischen Effekt, der den Spiegelaufbau tatsächlich verlässt.
Die Kugel ist etwa tausendmal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares und bleibt für das bloße Auge unsichtbar. Gerade ihre Bewegung macht sie interessant: Sie besitzt eine messbare Masse, reagiert auf Kräfte und kann mit Licht wechselwirken. Die Originalmeldung des italienischen Instituts für Optik beschreibt einen Aufbau mit zwei Lasern und einem Spiegelpaar.
Ein stark gebündelter Laserstrahl hält die Glaskugel im Vakuum fest, während zwei Spiegel einen optischen Resonator bilden. Dort läuft Licht mehrfach hin und her und kann mit der schwingenden Kugel besonders wirksam wechselwirken. Der erste Laser stabilisiert und kühlt die Bewegung des Teilchens; der zweite erzeugt die untersuchten Quantenkorrelationen.
Kühlen meint hier vor allem die Bewegung des schwebenden Teilchens, während der gesamte Versuchsaufbau bei gewöhnlicher Raumtemperatur arbeitet. Diese Trennung ist für das Experiment wesentlich, denn zufällige Wärmebewegungen können schwache Quantensignale überdecken. Die Wissenschaftler mussten die Kugel stabil halten und zugleich das aus dem Resonator austretende Licht präzise erfassen.
Die Gruppe bestimmte einen sogenannten Separabilitätsparameter, mit dem sich gewöhnliche Korrelationen von einer quantenmechanischen Verschränkung unterscheiden lassen. Für die untersuchte Grenze beträgt der klassische Schwellenwert 1; gemessen wurde ein Minimum von 0,918 ± 0,029. Das Resultat liegt unter dieser Grenze und liefert den entscheidenden experimentellen Nachweis für die Verbindung zwischen Kugelbewegung und Licht.
Zur Auswertung nutzten die Physiker die Heterodynmessung, bei der das austretende Licht mit einem Referenzfeld verglichen wird. Aus diesen Signalen rekonstruierten sie die gemeinsamen Schwankungen des Lichtfelds und der Bewegung der Kugel. Das Team beobachtete den Effekt über einen Frequenzbereich von mehr als 40 Kilohertz, statt lediglich einen einzelnen schmalen Messpunkt zu erhalten.
Der besondere Teil des Versuchs beginnt dort, wo Licht den Raum zwischen den Spiegeln verlässt und sich weiter ausbreitet. Seine gemessenen Eigenschaften bleiben mit der Bewegung der schwebenden Kugel verschränkt, obwohl die Wechselwirkung im Resonator stattfand. Damit verbindet das Experiment ein ortsgebundenes mechanisches Objekt mit einem optischen Feld, das Informationen transportieren kann.
Verschränkung bezeichnet dabei gemeinsame Quanteneigenschaften, deren Korrelationen sich mit einem rein klassischen Modell nicht vollständig beschreiben lassen. Aus dem Versuch folgt weder eine augenblickliche Nachrichtenübertragung noch eine fertige Quantenverbindung über große Entfernungen. Die Wissenschaftler haben vielmehr einen Baustein unter kontrollierten Laborbedingungen gemessen, dessen technische Nutzung weitere Schritte verlangt.
Das Signal blieb über einen vergleichsweise breiten Frequenzbereich nachweisbar, was die Auswertung weniger abhängig von einer einzigen Resonanz macht. Besonders bemerkenswert ist die Raumtemperatur: Viele andere Experimente mit empfindlichen Quantenzuständen benötigen aufwendige Kühlung. Hier sitzt die Glaskugel im Vakuum, während die optische Falle ihre mechanische Bewegung gezielt kontrolliert.
Quentin Deplano sieht in solchen Systemen einen Ansatz für künftige Quantenspeicher, in denen ein materielles Objekt Informationen aus Licht aufnimmt. Solche Speicher existieren in diesem Experiment noch nicht als einsatzbereite Geräte; bisher wurde die Verschränkung gemessen. Die Ergebnisse liefern eine Grundlage, um künftig mehrere schwebende Teilchen über Lichtfelder miteinander zu verbinden.
Mit größeren und schwereren schwebenden Objekten ließe sich künftig untersuchen, wie weit quantenmechanische Eigenschaften in den Bereich alltäglicher Körper reichen. Für solche Tests müssen Störungen durch Licht, Vibrationen und Wärme weiter kontrolliert werden. Im Florentiner Aufbau bleibt zunächst eine Glaskugel von 100 Nanometern zwischen zwei Spiegeln gefangen, während das Licht ihre quantenmechanische Spur aus dem Resonator trägt.
Deplano et al., Science, Stationary entanglement of a levitated oscillator with an optical field; doi:10.1126/science.aeh1375
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