12. Nov. 2015
Wien - In einer internationalen Zusammenarbeit rund um Quantenphysiker Anton
Zeilinger gelang es Quantenforscher/inne/n der Gruppe Quantenoptik,
Quantennanophysik und Quanteninformation der Fakultät für Physik an der
Universität Wien und des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI)
Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), die von Albert
Einstein einst als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnete Verschränkung von
Teilchen erstmals vollständig nachzuweisen. Darüber berichten die Forscher/innen
in einer Veröffentlichung auf der Open Access-Plattform
arXiv.org, die zeitgleich auch
beim Fachblatt "Physical Review Letters" eingereicht wurde.
Bei der "spukhaften Fernwirkung" handelt es sich um ein Phänomen der
Verknüpfung von kleinsten Teilchen mit Besonderheiten, die mit unserer
alltäglichen Weltanschauung nur schwer in Einklang zu bringen sind: Einerseits
haben Messungen an einem der Teilchen sofortige Wirkungen auf das andere
Teilchen, selbst wenn die beiden weit voneinander entfernt sind, wodurch es zu
stark korrelierten Messergebnissen kommt. Andererseits sind, gemäß der
Quantentheorie, die gemessenen Eigenschaften der Teilchen bis zu ihrer Messung
unbestimmt.
Bereits 1964 hatte der Physiker John Bell einen Vorschlag formuliert, wie sich
diese Fernwirkung experimentell überprüfen lasse. Bei allen bisherigen
Experimenten zur Quantenverschränkung blieben aber stets noch Schlupflöcher,
sogenannte "loopholes", bestehen. Nun aber gelang es Forscher/inne/n von
Universität Wien und ÖAW diese "loopholes" mit einer speziellen Versuchsreihe im
Keller der Wiener Hofburg zu schließen. Die Erbringung dieses
quantenmechanischen Mosaiksteins konnte damit in Wien und bei einem zeitgleich
vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST)
durchgeführten Experiment erreicht werden (siehe:
http://www.nist.gov/pml/div686/20151105loophole.cfm
).
Bei ihrem Experiment in einem Kellergang der Wiener Hofburg gingen die
Forscher/innen folgendermaßen vor: Zunächst wurden Photonen paarweise erzeugt
und in einem speziellen Aufbau miteinander verschränkt. Anschließend wurden die
beiden Lichtteilchen getrennt, um sie in optischen Glasfasern zu zwei, jeweils
30 Meter entfernten Messstationen zu schicken. Während die Photonen auf dem Weg
zu den Messstationen waren, wählte ein Zufallsgenerator die Ausrichtung zur
Messung der Polarisation, also der Richtung ihrer Schwingung. Schließlich wiesen
neuartige hochempfindliche supraleitende Detektoren die Photonen bei den
Messstationen nach.
Durch die spezielle räumliche Ausrichtung und den zeitlichen Ablauf der
einzelnen experimentellen Schritte konnten die Forscher/innen in Wien die drei
wichtigsten Schlupflöcher in einem Experiment schließen: Zum einen ist es durch
die räumliche Trennung der beiden Messstationen unmöglich, dass sich die
Messapparate durch Kommunikation, deren Geschwindigkeit durch die
Lichtgeschwindigkeit limitiert ist, gegenseitig "absprechen" können, um so die
starke Korrelation der Messergebnisse zu erzeugen. Zum anderen wurde die Wahl
der Messeinstellung von einem Zufallsgenerator getroffen und zeitlich so
arrangiert, dass Unabhängigkeit gewährleistet werden kann. Und schließlich wurde
mithilfe der hochempfindlichen Photonendetektoren und einer hocheffizienten
Quelle der verschränkten Teilchen sichergestellt, dass ein repräsentativer Teil
aller erzeugten Teilchen auch nachgewiesen werden konnte.
"Ein Experiment ohne Schlupflöcher ist gleichzeitig die Bestätigung, dass
Quantenkryptographie wirklich abhörsicher sein kann", sagt Quantenphysiker Anton
Zeilinger: "Unser Experiment war eine experimentelle tour de force über mehrere
Jahre. Das Resultat war nur möglich, weil das Experiment mehrere Komponenten
zusammenbringt, die den besten Stand der technologischen Entwicklung
repräsentieren."
Neben den Forscher/inne/n von Universität Wien und ÖAW waren auch
Wissenschaftler/innen folgender Institutionen an dem Experiment beteiligt:
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching bei München, Institutionen för
Systemteknik der Universität Linköping, ICFO – Institut de Ciencies Fotoniques,
Barcelona, ICREA -Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados,
Barcelona, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Berlin, NIST -National
Institute for Standards and Technology, Boulder/Colorado.
Die Forschungsarbeit wurde unterstützt von: European Research Council, FWF -
Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und Österreichische
Akademie der Wissenschaften.
Publikation
Marissa Giustina, Marijn A. M. Versteegh, Sören Wengerowsky, Johannes
Handsteiner, Armin Hochrainer, Kevin Phelan, Fabian Steinlechner, Johannes Koer,
Jan-Ake Larsson, Carlos Abellán, C Amaya, Valerio Pruneri, Morgan W. Mitchell,
Jörn Beyer, Thomas Gerrits, Adriana E. Lita, Lynden K. Shalm, Sae Woo Nam,
Thomas Scheidl, Rupert Ursin, Bernhard Wittmann, Anton Zeilinger (2015).
A significant-loophole-free test of Bell's theorem with entangled photons.
arXiv:1511.03190
Link zur Publikation: http://arxiv.org/abs/1511.03190
Österreichische Akademie der Wissenschaften
