Einsteins „spukhafte Fernwirkung“ wird zum Präzisionswerkzeug
Verschränkte Atomwolken erlauben genauere Messungen über Distanz. Neue Perspektiven für Atomuhren und Gravimeter.
Mit drei Atomwolken, deren Spins (blau) über eine Entfernung miteinander verschränkt sind, können die Forscher die räumliche Variation eines elektromagnetischen Feldes messen.
Foto: Enrique Sahagún, Scixel / University of Basel, Department of Physics, Creative Commons Namensnennung 4.0 International (CC BY 4.0)
Albert Einstein sprach von „spukhafter Fernwirkung“ und meinte damit etwas, das ihm zutiefst suspekt war: die Verschränkung. Gemeint ist ein quantenmechanischer Zustand, bei dem Messungen an räumlich getrennten Teilchen enger zusammenhängen, als es die klassische Physik erlaubt. Heute ist dieses Phänomen experimentell belegt. Es wurde 2022 mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt. Und es entwickelt sich gerade vom Gedankenexperiment zum Werkzeug.
Ein Forschungsteam der Universität Basel und des Laboratoire Kastler Brossel in Paris zeigt nun, dass sich Verschränkung gezielt für präzisere Messungen nutzen lässt. Und zwar nicht nur an einem Ort, sondern über räumlich getrennte Systeme hinweg. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Science.
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Was hinter der „spukhaften Fernwirkung“ steckt
Bei der Verschränkung verhalten sich zwei oder mehr Quantenobjekte wie ein gemeinsames System. Misst man eine Eigenschaft an einem Teil, steht fest, was man beim anderen findet – selbst dann, wenn sie weit voneinander entfernt sind. Dieses Verhalten widerspricht der Alltagsintuition. Es lässt sich aber sauber berechnen und reproduzieren.
Physikalisch relevant wird das dort, wo Messungen an ihre Grenzen stoßen. In der klassischen Messtechnik gilt: Je mehr Sensoren man einsetzt, desto genauer wird das Ergebnis. In der Quantenwelt stimmt das nur bedingt. Zufällige Quanteneffekte setzen eine Grenze. Verschränkung kann diese Grenze verschieben.
Quantenmetrologie: Mehr Information aus denselben Atomen
„Die Quantenmetrologie, die Quanteneffekte nutzt, um die Messung physikalischer Größen zu verbessern, ist mittlerweile ein etabliertes Forschungsgebiet“, sagt Philipp Treutlein von der Universität Basel. Seine Gruppe arbeitet seit Jahren mit ultrakalten Atomen. Deren Spins lassen sich gezielt koppeln. Man kann sie sich vereinfacht wie winzige Kompassnadeln vorstellen.
Bisher nutzten viele Experimente diese Technik nur lokal. Alle Atome befanden sich in einer einzigen Wolke. Die Basler Forschenden gingen nun einen Schritt weiter. Sie verschränkten die Spins zunächst gemeinsam und teilten die Wolke anschließend räumlich auf. Am Ende entstanden drei getrennte, aber weiterhin miteinander verschränkte Atomwolken.
„Allerdings befanden sich diese Atome alle am selben Ort“, erklärt Treutlein rückblickend. „Wir haben dieses Konzept nun erweitert, indem wir die Atome auf bis zu drei räumlich getrennte Wolken verteilt haben.“
Mehrere Parameter gleichzeitig messen
Der entscheidende Punkt: Mit dieser räumlichen Verschränkung lassen sich nicht nur einzelne Größen genauer bestimmen. Mehrere physikalische Parameter können parallel gemessen werden. Ein Beispiel ist die räumliche Verteilung eines elektromagnetischen Feldes. Klassisch müsste man dafür viele unabhängige Messungen durchführen.
Im Experiment reichten wenige Messungen aus, um die Feldverteilung präziser zu bestimmen als ohne Verschränkung. Störungen, die alle Atomwolken gleichermaßen beeinflussen, heben sich dabei teilweise auf. Die Quantenmechanik wird hier nicht zum Problem, sondern zur Hilfe.
„Bislang hat noch niemand eine solche Quantenmessung mit räumlich getrennten verschränkten Atomwolken durchgeführt“, sagt Yifan Li, Postdoc in Treutleins Gruppe. „Auch der theoretische Rahmen für solche Messungen war noch unklar.“
Relevanz für Uhren und Gravimeter
Die Forschenden denken bereits an konkrete Anwendungen. „Unsere Messprotokolle lassen sich direkt auf bestehende Präzisionsinstrumente wie optische Gitteruhren anwenden“, sagt Doktorand Lex Joosten. Solche Atomuhren gehören heute zu den genauesten Zeitmessern überhaupt. Kleine systematische Fehler begrenzen jedoch ihre Genauigkeit.
Durch Verschränkung könnten Effekte ausgeglichen werden, die aus der räumlichen Verteilung der Atome im Gitter entstehen. Ähnliches gilt für Atominterferometer. Diese Geräte messen winzige Unterschiede der Erdbeschleunigung und kommen etwa in der Geophysik oder bei der Suche nach Rohstoffen zum Einsatz. Auch dort ist oft nicht der absolute Wert entscheidend, sondern die räumliche Veränderung.
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