Physiker in Italien haben die Bewegung einer schwebenden Glas-Nanokugel mit einem Lichtstrahl verschränkt — und das, ungewöhnlich genug, ohne den gesamten Aufbau auf kryogene Temperaturen herunterzukühlen.
Das Objekt im Zentrum des in der Fachzeitschrift Science beschriebenen Experiments ist eine Glaskugel von nur 100 Nanometern Durchmesser — etwa so groß wie ein Virus, aber mit Dutzenden Millionen Atomen. Sie wurde in einem stark fokussierten Laserstrahl, einer optischen Falle, in der Schwebe gehalten und zwischen zwei Spiegeln eines optischen Resonators in einer Nahe-Vakuum-Kammer eingeschlossen. Nichts berührte sie.
„Mein nächstes Ziel war, die Wechselwirkung zwischen dem Licht und der Bewegung der Nanokugel bis zur Erzeugung von Verschränkung zu treiben — dem wohl prägendsten und kontraintuitivsten Phänomen der Quantenmechanik“, sagte Francesco Marin von der Universität Florenz, der die Arbeit leitete, gegenüber ScienceAlert.
Frühere Arbeiten des Teams hatten Licht genutzt, um die Schwingungen der Kugel in Richtung ihres quantenmechanischen Grundzustands zu kühlen. Doch das Licht, das Verschränkung erzeugt, heizt die Bewegung auch auf und destabilisiert sie. Deshalb teilten die Forscher die Aufgabe auf zwei Laserfarben auf: einen rot verstimmten Strahl zum Kühlen und Stabilisieren und einen blau verstimmten Strahl, um die Schwerpunktbewegung der Kugel mit den Amplituden- und Phasenquadraturen des Lichts zu verschränken.
Die Verschränkung blieb nicht auf das zwischen den Spiegeln gefangene Licht beschränkt. Sie erhielt sich in dem aus dem Resonator austretenden Licht, das Informationen über die Bewegung der Kugel trägt — und damit grundsätzlich zu einem wandernden Quantensystem wird, das sich durch ein optisches Netzwerk senden, an anderer Stelle messen oder mit einem anderen Quantenbauteil koppeln ließe.
Um zu belegen, dass die Korrelationen wirklich quantenmechanisch und nicht klassisch sind, rekonstruierten die Forscher aus dem entweichenden Licht das vollständige Muster der Korrelationen und zeigten, dass die Messungen die Schwelle überschritten, die verschränkte von separierbaren Zuständen trennt — auch unter Berücksichtigung experimenteller Unsicherheiten. Das Experiment lief stundenlang, drei Lasersysteme blieben stabil, während die Kammer einen niedrigen Druck erreichte; die Verschränkung trat allmählich mit statistischer Signifikanz hervor.
Weil die Kugel ein vollständig künstliches, mechanisches System ist, könnte sie als lokaler Quantenspeicher oder als Schnittstelle dienen — das fehlende Bindeglied, um lichtbasierte Quantenverbindungen zu verknüpfen. Die nächsten Schritte, so Marin, seien, die Verschränkung zu verstärken und dynamisch zu kontrollieren und schließlich mehrere Nanokugeln in verschiedenen Fallen zu einem größeren Quantensystem zu verbinden.
