Quantenphänomene werden normalerweise mit extrem kleinen Objekten assoziiert — einzelnen Atomen, Molekülen oder Photonen, die sorgfältig von ihrer Umgebung isoliert werden. Aber können dieselben seltsamen Quanteneffekte auch in Objekten existieren, die groß genug sind, um sie zu sehen und zu halten?
Forscher der TU Wien haben nun überzeugende Beweise dafür geliefert. Durch die Untersuchung eines zentimetergroßen Kristalls aus einem als seltsames Metall bekannten Material entdeckte das Team ein hohes Maß an Quantenverschränkung — eines der bemerkenswertesten Merkmale der Quantenphysik.
Von Schrödingers Katze zum Ameisenhaufen
Ob die Quantenmechanik nur für winzige Teilchen oder auch für größere Objekte gilt, wird seit den Anfängen des Fachgebiets diskutiert. Der Physiker Erwin Schrödinger veranschaulichte das Rätsel berühmt mit seinem Gedankenexperiment einer Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist, bis sie beobachtet wird.
Das Team der TU Wien ging die Frage aus einem anderen Blickwinkel an.
„Unser Ansatz ist anders“, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Wir versuchen nicht, den Kristall als Ganzes in eine Überlagerung zweier Zustände zu bringen. Stattdessen fragen wir, ob seine Bestandteile — kollektiv — in einem solchen Verschränkungszustand sind.“
Statt an Schrödingers Katze zu denken, sei das Experiment eher wie ein Ameisenhaufen, erklärt Bühler-Paschen. Wenn ein Ameisenhaufen gestört wird, kommt die Reaktion vom gesamten Volk, nicht von einer einzelnen Ameise.
Quanten-Fisher-Information enthüllt verborgene Verschränkung
Der theoretische Rahmen wurde vom Innsbrucker Quantenphysiker Peter Zoller und seinen Kollegen entwickelt. Ihre Arbeit zeigte, dass Quanten-Fisher-Information selbst in komplexen Systemen mit enorm vielen wechselwirkenden Teilchen Quantenverschränkung identifizieren kann.
Um die Idee zu testen, erzeugten die Forscher einen Kristall aus Cer, Palladium und Silizium. Am Institut Laue-Langevin in Grenoble beschoss der Doktorand Federico Mazza den Kristall mit Neutronen und maß seine Reaktion.
Die Messungen liefern direkte Beweise für starke multipartite Quantenverschränkung in einem festen Kristall, der groß genug ist, um bequem in Ihre Handfläche zu passen.
Das Team blickt nun voraus, um zu bestimmen, ob seltsame Metalle für Quantentechnologien nützlich sein könnten, darunter hochempfindliche Quantenmesstechniksysteme, die extrem kleine Signale mit außergewöhnlicher Präzision erkennen können.
