Wechselwirkungsfreie Verschränkung zwischen Vergangenheit und Zukunft

  • 02. August 2012

Vakuumfluktuationen können Teilchenzustände aus unterschiedlichen Zeitpunkten verschränken.

Verschränkte Quantenobjekte können über große Entfernungen gemeinsame Eigenschaften tragen, die ihnen nur als Quantensystem zukommen, nicht aber dem einzelnen Objekt. Diese Verschränkung kann auch bei raumartig getrennten Körpern, d. h. ohne physikalisch kausale Wechselwirkung, funktionieren. Diese spezielle Art instantaner Fernwirkung steht aber in Einklang mit dem Relativitätsprinzip, da sich durch sie keine Information oder physikalische Wirkung übertragen lässt. Es treten lediglich statistische Korrelationen auf. Nach einem berühmten Aufsatz von Einstein, Podolski und Rosen sind solche Verschränkungen auch als EPR-Korrelationen bekannt.

Abb.: Vorgeschlagenes Experiment zur Ausnutzung der Verschränkung zwischen Vergangenheit und Zukunft. a) Zunächst interagiert Qbit P mit dem Vakuumfeld ΔΨ  für eine gewisse Zeit Ton. Nach einer interaktionsfreien Zeit Toff wechselwirkt Qbit F mit dem Feld. b)  Schaltbare Kopplung: Ein Qbit im oberen Teil kann über zwei Loops an das Feld ΔΨ  koppeln; die Kopplung zwischen Feld und Qbit kann über die magnetischen Flüsse Φ2 und Φ3 deaktiviert werden. (Bild: Sabin et al.)

Abb.: Vorgeschlagenes Experiment zur Ausnutzung der Verschränkung zwischen Vergangenheit und Zukunft. a) Zunächst interagiert Qbit P mit dem Vakuumfeld ΔΨ für eine gewisse Zeit Ton. Nach einer interaktionsfreien Zeit Toff wechselwirkt Qbit F mit dem Feld. b) Schaltbare Kopplung: Ein Qbit im oberen Teil kann über zwei Loops an das Feld ΔΨ koppeln; die Kopplung zwischen Feld und Qbit kann über die magnetischen Flüsse Φ2 und Φ3 deaktiviert werden. (Bild: Sabin et al.)

Ähnlich wie bei verschränkten Photonen, die aus einer gemeinsamen Quelle stammen und stark korrelierte Eigenschaften tragen, kann auch das quantenfeldtheoretische Vakuum solche Verschränkungen vermitteln; wenn auch nur über sehr geringe Zeiten und Distanzen. Bei größeren räumlichen und zeitlichen Abständen verwäscht sich der Effekt in den Quantenfluktuationen.

Diese Einsicht war lange Zeit als rein formaler Aspekt der Quantenfeldtheorie gehandelt worden. In jüngerer Vergangenheit ist das Interesse an solchen Verschränkungen aber gewachsen, da sie für die Quanteninformationsverarbeitung und insbesondere für die Speicherung von Quantenbits (Qbits) interessant sein könnten. Nun haben Theoretiker aus Madrid ein Experiment vorgeschlagen, das es erlauben würde, Teilchen mit Hilfe von Vakuumfluktuationen zu verschränken, ohne dass diese Teilchen selbst miteinander in Wechselwirkung treten.

Die Forscher konstruieren ihr Modell aus zwei supraleitenden Qbits P und F, die über ein Quantenfeld miteinander wechselwirken. Ein eindimensionales Feld entlang eines Mikrowellenleiters oder eines sonstigen Übertragungsleiters verbindet beide QBits. Die Wechselwirkung zwischen den Qbits und dem Quantenfeld kann durch magnetische Schalter sehr schnell an- oder ausgeschaltet werden. Damit kann zu einem früheren Zeitpunkt (kurz „Vergangenheit“ genannt) der physikalische Zustand zu einem späteren Zeitpunkt („Zukunft“) beeinflusst werden, auch wenn beide Punkte keine reelle physikalische Interaktion erfahren, d. h. raumartig getrennt sind. Die Forscher beschreiben den Vorteil ihrer Idee mit der experimentellen Zugänglichkeit und Durchstimmbarkeit der physikalischen Parameter.

Abb.: Stärke der Verschränkung in verschiedenen Raumzeit-Regionen. Links unten und rechts außen ist keine reelle Interaktion vorhanden, dennoch ist knapp jenseits der Zonengrenzen signifikante Verschränkung zu finden. Im mittleren Bereich können reelle Photonen ausgetauscht werden. Für große Abstände ist nur hier Verschränkung zu erwarten. (Bild: Sabin et al.)

Abb.: Stärke der Verschränkung in verschiedenen Raumzeit-Regionen. Links unten und rechts außen ist keine reelle Interaktion vorhanden, dennoch ist knapp jenseits der Zonengrenzen signifikante Verschränkung zu finden. Im mittleren Bereich können reelle Photonen ausgetauscht werden. Für große Abstände ist nur hier Verschränkung zu erwarten. (Bild: Sabin et al.)

Der Clou des Aufbaus besteht darin, dass die extrem schnell schaltbaren QBits stark an das Quantenfeld koppeln können, wie Berechnungen mit Hilfe der Schaltkreis-Quanten-Elektro-Dynamik (Circuit-QED) zeigen. Der Ablauf der Experiments gestaltet sich folgendermaßen: Zunächst wird Qbit P für eine kurze Zeit Ton mit dem Vakuumfeld in Verbindung gebracht. Qbit F ist derweil ausgeschaltet. Dann wird P ausgeschaltet, und für eine kurze Zeit Toff ist keines der beiden QBits mit dem Vakuumfeld in Kontakt. Dann wird F für eine kurze Zeit Ton angeschaltet.

Hierdurch ergeben sich verschiedene Konstellationen. Nur in einem gewissen Zeitfenster ist ein Austausch realer Photonen möglich. Diese lassen auch Verschränkungseffekte über größere Distanzen zu, was den EPR-Phänomenen entspricht. Bei hinreichend kurzen Zeiten im Nanosekunden-Bereich können aber auch die Vakuumfluktuationen für eine Verschränkung der beiden Qbits sorgen. Dies entspricht dann einem Austausch „virtueller“ Photonen, wie sie in Feynman-Diagrammen in der Quantenfeldtheorie als Feldquanten auftreten. Diese Zustände können sich mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten und somit auch knapp außerhalb der strengen klassischen Lichtgeschwindigkeitsgrenze Verschränkungen vermitteln.

Damit könnte die wechselwirkungsfreie Verschränkung, d. h. eine Verschränkung ohne den Austausch realer Quanten mit heutiger Technologie umgesetzt werden. Die Forscher hoffen, dass Experimentalphysiker ihr Modell bald überprüfen.

Dirk Eidemüller

PH

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