Spuk in der Quantenwelt

  • 15. April 2013

Letztes lokal realistisches Schlupfloch für verschränkte Photonensysteme geschlossen.

Zahlreiche Experimente weltweit haben die Fundamente der Quantentheorie mittlerweile bestätigt. Doch letzte Zweifel daran ließen sich bislang nicht vollständig ausräumen. Verteidiger des in der klassischen Welt geltenden „lokalen Realismus“ berufen sich auf mehrere Arten von „Schlupflöchern“. Physiker aus der Gruppe von Anton Zeilinger am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Wien haben nun das letzte Schlupfloch für Lichtquanten geschlossen. Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, vom National Institute of Standards in Boulder, USA, sowie von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig unterstützten sie dabei. 

Experimenteller Aufbau

Abb.: Experimenteller Aufbau zur Überprüfung der Bellschen Ungleichung (Bild: IQOQI Wien, J. Godany)

In den letzten Jahrzehnten wurde die Verletzung der „Bellschen Ungleichung“ in zahlreichen Experimenten bestätigt, sowohl mit Lichtquanten als auch mit Atomen. Allerdings gibt es für die Verteidiger des lokalen Realismus drei Arten von „Schlupflöchern“ – d. h. Möglichkeiten, dass die beobachteten Korrelationen, obschon sie die Bellsche Ungleichung verletzen, doch noch im Rahmen von lokal realistischen Theorien erklärbar sind. Das eine bezieht sich auf die Lokalität der Ereignisse. Hier wird angenommen, dass das Messresultat auf einer Seite durch ein schnelles und verstecktes Signal von der anderen Seite beeinflusst wird. In ähnlicher Weise geht das Schlupfloch, das die „freie Wahl“ betrifft, davon aus, dass die lokal realistischen Eigenschaften des Teilchenpaares die von den hypothetischen Beobachtern Alice und Bob getroffene Wahl beeinflussen. Mit erheblichem experimentellem Aufwand sind diese beiden Schlupflöcher für Photonen mittlerweile geschlossen worden. Dabei wurde in den Experimenten Alice und Bob räumlich sehr weit voneinander getrennt angeordnet. Zum andern ließen sich die Zeitpunkte der Paarerzeugung, der Auswahl der Messeigenschaften und der Messung selbst mit extrem großer Genauigkeit bestimmen. Unter diesen Bedingungen sind die gemessenen Korrelationen allenfalls durch Signalübermittlung mit Überlichtgeschwindigkeit zu erklären – die aber ist im lokal realistischen Weltbild nicht gestattet.

Doch es gibt noch ein drittes Schlupfloch, das „Fair Sampling“. Dabei führen die lokalen Realisten die Verletzung der Bellschen Ungleichung darauf zurück, dass nur ein Bruchteil der erzeugten Teilchenpaare gemessen wird. Die beobachteten Teilchen betrachten sie als nicht repräsentativ für das ganze Ensemble, als „unfair“. Die Gesamtheit der Teilchen würde dagegen der Bellschen Ungleichung genügen.

Für Photonen war es bisher nicht möglich, dieses Schlupfloch zu schließen, zumal es hier besonders schwierig ist, Teilchenverluste an der Teilchenquelle oder am Detektor zu vermeiden. „Der Erfolg des Wiener Experiments beruht zum einen auf technischen Errungenschaften“, erklärt Johannes Kofler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. „Es wurde eine neuartige Quelle für die Erzeugung verschränkter Photonenpaare verwendet, des Weiteren Techniken, die geringe Durchgangsverluste ermöglichten, und moderne supraleitende Detektoren.“ So war es möglich, insgesamt 75 Prozent aller verschränkten Photonen zu messen. „Diese Effizienz reicht für einen Test der originalen Bell-Ungleichung nicht aus“, so Kofler. „Allerdings hat vor rund zwanzig Jahren der Physiker Philippe Eberhard vom Lawrence Berkeley Laboratory in den USA eine Formulierung der Bellschen Ungleichung gefunden, die die nicht nachgewiesenen Photonenpaare explizit einschließt – dann genügt es, wenn man zwei Drittel aller Photonen detektiert. Durch die hohe Effizienz des Wiener Experiments und die Anwendung der Eberhardschen Ungleichung konnten wir nun erstmals das Fair-Sampling-Schlupfloch für Photonen schließen.“

Mit diesem Ergebnis wurden für Photonen alle lokal realistischen Schlupflöcher ausgeschlossen, allerdings in jeweils unterschiedlichen Experimenten. Nun fehlt nur noch das allerletzte Beweisstück – ein finales und definitives Experiment, in dem die Bellsche Ungleichung verletzt wird und gleichzeitig alle Schlupflöcher geschlossen sind. Es ist noch nicht klar, ob dies zuerst für Photonen oder für Atome (für die bislang nur das Fair-Sampling-Schlupfloch versperrt wurde) oder vielleicht für ganz andere Quantensysteme erreicht werden wird. Wenn es gelingt, bleiben nur noch zwei radikale Erklärungsmöglichkeiten: Entweder, es gibt in der Natur eine verborgene Form der Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit, oder wir leben in der Tat in einer Welt, in der physikalische Eigenschaften unter bestimmten Bedingungen nicht unabhängig von ihrer Beobachtung existieren. In beiden Fällen wäre, 50 Jahre nach seiner Formulierung, der lokale Realismus ein für alle Mal widerlegt.

MPQ / AH

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