Seit Jahren bemühen sich Wissenschaftler darum, in das „Quanteninnere“ fester Objekte zu blicken, um herauszufinden, ob ihre Teilchen wirklich miteinander verschränkt sind. Während wir einzelne Teilchen in einem kontrollierten Vakuum oder einem Quantencomputer manipulieren können, ist die Beobachtung der kollektiven Verschränkung innerhalb eines physikalischen Stücks Materie ein schwer erreichbares Ziel geblieben.
Nun hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Allen Scheie am Los Alamos National Laboratory eine bahnbrechende Methode zur Messung dieses Phänomens entwickelt und damit möglicherweise ein neues Kapitel sowohl in der Grundlagenphysik als auch in der Entwicklung von Quantentechnologien aufgeschlagen.
Die Herausforderung, Verstrickungen zu „sehen“.
Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem Teilchen so eng miteinander verbunden werden, dass der Zustand eines Teilchens sofort den Zustand eines anderen beeinflusst, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Diese „gruselige Aktion“ ist das Rückgrat zukünftiger Technologien wie hochsichere Kommunikationsnetze und leistungsstarke Quantencomputer.
Bisher verwendeten Forscher Bell-Tests, um die Verschränkung zwischen bestimmten Partikeln zu bestätigen, aber diese Methoden lassen sich nur schwer auf ganze Materialien übertragen. Die Bestimmung, ob eine feste Substanz – etwa ein Kristall oder ein Metall – von Verschränkung durchdrungen ist, war nahezu unmöglich, da die Komplexität des Materials häufig die Quantenverbindungen maskiert.
Die Neutronenmethode: Eine neue Möglichkeit, einen Blick ins Innere zu werfen
Der Durchbruch liegt in der Verwendung von Neutronen als Botenstoffe. Seit den 1950er Jahren wissen Physiker, dass sie etwas über die Anordnung der Teilchen im Inneren lernen können, indem sie Neutronen auf ein Material abfeuern und analysieren, wie sie davon abprallen oder durch das Material hindurchgehen.
Scheie und sein Team haben dieses Konzept verfeinert, um Quantum Fisher Information (QFI) zu berechnen. So funktioniert der Prozess:
1. Neutronenbeschuss: Eine Materialprobe wird mit Neutronen beworfen.
2. Detektion: Die Eigenschaften der austretenden Neutronen werden von hochpräzisen Detektoren erfasst.
3. Berechnung: Durch die Analyse der Neutronendaten können Forscher den QFI berechnen – einen mathematischen Wert, der die Mindestanzahl von Partikeln im Material angibt, die verwickelt sein müssen, um dieses spezifische Ergebnis zu erzielen.
Bewährte Genauigkeit und Vielseitigkeit
Das Team testete seine Technik an verschiedenen magnetischen Materialien, darunter einem bekannten Kristall aus Kalium, Kupfer und Fluor. Um sicherzustellen, dass die Methode korrekt ist, verglichen sie ihre experimentellen Ergebnisse mit Computersimulationen der Quantenstruktur des Kristalls.
„Es war eine bemerkenswert enge Übereinstimmung zwischen den experimentellen und theoretischen Kurven“, bemerkte Teammitglied Pontus Laurell von der University of Missouri.
Was diese Methode besonders revolutionär macht, ist ihre Belastbarkeit :
– Kein Modell erforderlich: Im Gegensatz zu früheren Versuchen funktioniert diese Technik auch dann, wenn Wissenschaftler zuvor kein perfektes mathematisches Modell des Materials haben.
– Toleranz für Unvollkommenheiten: Es bleibt auch dann wirksam, wenn es sich bei den Materialproben nicht um „perfekte“ Kristalle handelt, was in Laborumgebungen häufig vorkommt.
– Universelle Anwendung: Das Team hat eine zuverlässige, allgemein anwendbare Methode zur Messung der Verschränkung entwickelt, die auf eine Vielzahl neuer Materialien angewendet werden kann.
Warum das für die Zukunft wichtig ist
Diese Entdeckung ist mehr als nur ein mathematischer Sieg; Es ist ein praktisches Werkzeug für die nächste Technologiegeneration. Während Ingenieure nach den besten Materialien für den Bau von Quantenprozessoren und -sensoren suchen, benötigen sie eine Möglichkeit zu überprüfen, ob diese Materialien tatsächlich die für den Betrieb erforderlichen Quanteneigenschaften besitzen.
Die Forscher bewegen sich nun in ein noch komplexeres Gebiet: die Messung des QFI während Phasenübergängen. Ein Phasenübergang ist das Quantenäquivalent der Umwandlung von Wasser in Eis. An diesen kritischen Punkten versagen theoretische Modelle oft und es wird erwartet, dass die Verschränkung dramatisch ansteigt. Indem das Team seine Methode hier testet, hofft es, völlig neue Quantenphänomene aufzudecken, die noch nie zuvor beobachtet wurden.
Schlussfolgerung
Durch den erfolgreichen Einsatz der Neutronenstreuung zur Messung von Quantum-Fisher-Informationen haben Forscher ein zuverlässiges „Thermometer“ für die Verschränkung in Festkörpern bereitgestellt. Dieser Durchbruch stellt das wesentliche Werkzeug zur Verfügung, das zur Erforschung neuer Materialien und zur Beschleunigung des Übergangs von der theoretischen Quantenphysik zur funktionalen Quantentechnologie erforderlich ist.
