Quantendatensatz! 3.000 Atome Im Bizarren Staat Verwickelt

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Mit einem lichtteilchen haben wissenschaftler 3.000 atome miteinander verknüpft, die höchste anzahl von atomen, die jemals miteinander verschränkt wurden. Dabei bleibt das verhalten der atome auch dann erhalten, wenn sie getrennt werden.

Mit einem einzigen Lichtteilchen haben Wissenschaftler zum ersten Mal Tausende von Atomen in einem bizarren Zustand, der als Quantenverschränkung bekannt ist, miteinander verbunden, wobei das Verhalten der Atome auch dann noch verbunden wäre, wenn sie sich an entgegengesetzten Enden des Universums befinden.

Dieser Befund, die größte Anzahl von Teilchen, die je in einem Experiment miteinander verwickelt wurden, könnte zu präziseren Atomuhren führen, die möglicherweise zu einer Verbesserung des GPS beitragen, so die Forscher.

Das Verhalten aller bekannten Teilchen kann mit Hilfe der Quantenphysik erklärt werden. Ein Schlüsselmerkmal der Quantenphysik ist, dass die Welt auf den kleinsten Ebenen zu einem unscharfen, surrealen Ort wird. Zum Beispiel existieren Atome und andere grundlegende Bausteine ​​des Universums tatsächlich in Flusszuständen, die als "Superpositionen" bezeichnet werden, was bedeutet, dass sie sich scheinbar an zwei oder mehreren Orten gleichzeitig befinden können. [5 der präzisesten Uhren aller Zeiten]

Eine Konsequenz der Quantenphysik ist die Quantenverschränkung, bei der sich mehrere Partikel unabhängig von der Entfernung im Wesentlichen gleichzeitig beeinflussen können. Einstein lehnte diese scheinbar unmögliche Verbindung als "gruselige Aktion aus der Ferne" ab, aber zahlreiche Experimente haben gezeigt, dass Quantenverschränkung real ist und als Grundlage für fortschrittliche Zukunftstechnologien dienen kann, wie zum Beispiel unglaublich leistungsstarke Quantencomputer und nahezu unaushackbare Quantenverschlüsselung.

Eine Schlüsselanwendung der Quantenverschränkung besteht darin, außerordentlich präzise Atomuhren zu ermöglichen, die für GPS unerlässlich sind. "Die heutigen Atomuhren haben ein fast unvorstellbares Maß an Genauigkeit erreicht - das Beste wäre weniger als eine Minute Pause, wenn sie seit dem Urknall laufen würden", sagte der Mitphysiker Vladan Vuletić, Quantenphysiker am MIT, gegenüber WordsSideKick.com.

Die besten Atomuhren von heute basieren auf Schwingungen, die in einer Wolke gefangener Atome beobachtet werden, wodurch sie im Wesentlichen wie Pendel wirken und einen gleichmäßigen Takt halten. Ein Laserstrahl, der durch eine solche Wolke abgefeuert wird, kann die Schwingungen der Atome erkennen und sie zur Zeitmessung verwenden. Die Genauigkeit von Atomuhren verbessert sich, da immer mehr Atome in einer Wolke schwingen. Da verschränkte Atome ihr Verhalten miteinander verknüpfen, können sich die Atome der Forscher umso mehr oszillieren, je mehr Atome Forscher miteinander verflechten.

Bisher hatten Wissenschaftler höchstens 100 Atome miteinander verflochten. Darüber hinaus repräsentierten diese Atome nur einen kleinen Bruchteil des größeren Atoms.

Mittlerweile haben Vuletić und seine Kollegen fast 3.000 Atome erfolgreich miteinander verflochten, fast alle Cluster von 3.100 Atomen, zu denen sie gehörten. Darüber hinaus verwendeten sie nur einzelne Photonen, bei denen es sich um Lichtteilchen handelt.

"Die Tatsache, dass Sie mit nur einem einzigen Photon so viele Teilchen beeinflussen können, ist der überraschendste Befund", sagte Vuletić.

Die Forscher kühlten zunächst eine Wolke aus Rubidiumatomen auf wenige zehn Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, der kältesten Temperatur. Als Nächstes fingen sie die Atome zwischen zwei leicht transparenten Spiegeln ein und feuerten schwache Laserpulse durch einen der Spiegel. Die Impulse enthielten so wenig wie ein einzelnes Photon und sprangen zwischen den Spiegeln hin und her und liefen etwa 5000 Mal durch die Wolke. [Wie funktioniert Quantenverschränkung (Infografik)]

Man kann sich ein Photon als eine im Raum schwingende Welle vorstellen. Wenn ein Photon in einem der Laserpulse die Wolke durchquert, ohne mit einem seiner Atome zu interagieren, würde die Polarisation des Photons - die Ausrichtung seiner Wellen - gleich bleiben.

Wenn ein Photon in einem Impuls mit den Atomen der Wolke interagiert, würde sich die Polarisation des Photons leicht drehen. Seltsamerweise kann der Akt der Messung im Bereich der Quantenphysik das Messobjekt dramatisch beeinflussen, und der Nachweis eines Photons, das mit diesen Atomen interagiert, kann im Wesentlichen eine Verschränkung zwischen diesen Atomen erzeugen.

Der Schlüssel zum Erfolg des Forschungsteams war die Verwendung extrem schwacher Lichtimpulse. "Früher verwendeten Experimente weit mehr Photonen, Zehntausende oder Millionen von Photonen, was den Experimenten viel Rauschen hinzufügte", sagte Vuletić. "Wir haben nur einzelne Photonen verwendet, was die Atomensembles weniger störte."

Die Forscher schlagen vor, dass es einfach sein sollte, noch mehr Atome miteinander zu verflechten. "Wir könnten eine Million Atome relativ leicht verschränken", sagte Vuletić.

Die Wissenschaftler verwenden derzeit diese Einzelphotonendetektionstechnik, um eine hochmoderne Atomuhr zu bauen, "die die Zeitmessung um den Faktor zwei verbessern könnte", sagte Vuletić. Darüber hinaus streben die Forscher an, noch komplexere verschränkte Zustände zu erreichen - die Arten, die in Anwendungen wie dem Quantencomputer benötigt werden.

Vuletić und seine Kollegen haben ihre Ergebnisse in der Ausgabe der Zeitschrift Nature vom 26. März detailliert beschrieben.

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