Zum ersten Mal wird die Geschwindigkeit der Quantenverschränkung gemessen – und sie sprengt jede Vorstellungskraft
Quantenverschränkung gehört zu den faszinierendsten und gleichzeitig kompliziertesten Phänomenen der Quantenphysik. Ein internationales Forschungsteam hat jetzt wichtige Fortschritte gemacht, indem es die Entstehung von Quantenverschränkung auf Attosekunden‑Zeitskalen untersucht hat. Die neuen Ergebnisse könnten weitreichende Folgen für die Zukunft der Quantenmechanik und für Anwendungen wie Quantencomputing und Quantenkryptographie haben.
Worum es ging und was sie herausfinden wollten
Die Forschung fragt längst nicht mehr nur, ob Verschränkung existiert. Im Mittelpunkt steht jetzt, wie dieses Phänomen überhaupt entsteht. Die Studie wurde geleitet von Prof. Joachim Burgdörfer vom Institute of Theoretical Physics an der TU Wien (Technische Universität Wien) zusammen mit Prof. Iva Březinová und einem Team aus China sowie anderen internationalen Forschungspartnern.
„Unser Interesse gilt der Frage, wie diese Verschränkung überhaupt entsteht und welche physikalischen Effekte auf extrem kurzen Zeitskalen eine Rolle spielen“, erklärt Prof. Iva Březinová. Es geht also nicht mehr nur um das Ob, sondern um das Wie — um die feinen Details des Entstehungsprozesses.
So sind sie vorgegangen
Die Forscher nutzten fortschrittliche Computersimulationen. Im gedachten Experiment wurden Atome mit einem extrem intensiven und hochfrequenten Laserpuls beschossen. Dabei gewann ein Elektron so viel Energie, dass es das Atom verließ, während ein anderes Elektron in einen höheren Energiezustand gehoben wurde.
Die Gruppe entwickelte ein Messprotokoll, das zwei verschiedene Laserstrahlen kombiniert. Damit konnten sie zeitliche Unterschiede messen, und zwar in einer Größenordnung, die als Attosekunden bekannt ist – eine Milliardstelsekunde einer Milliardstelsekunde (1 as = 10−18 s). Diese Methode machte es erstmals möglich, den genauen Zeitpunkt zu erfassen, an dem Quantenverschränkung entsteht.
Was sie beobachtet haben
Eine zentrale Beobachtung war, dass die beiden Elektronen nach dem Prozess quantenverschränkt sind. Prof. Joachim Burgdörfer erläutert: „Man kann sie nur zusammen analysieren – und man kann an einem der Elektronen eine Messung durchführen und gleichzeitig etwas über das andere Elektron erfahren.“ Das zeigt, dass der Moment, in dem das wegfliegende Elektron das Atom verlässt, prinzipiell unbestimmt ist und das Elektron in einer Quantenüberlagerung steckt.
Interessant ist außerdem die Korrelation zwischen der Abgangszeit des wegfliegenden Elektrons und dem Energiezustand des verbleibenden Elektrons: Wenn das verbleibende Elektron eine höhere Energie hat, verließ das erste Elektron das Atom wahrscheinlich früher — und umgekehrt. Die mittlere Verzögerung wurde mit ca. 232 Attosekunden bestimmt.
Warum das relevant ist und wie es weitergeht
Die Ergebnisse öffnen neue Perspektiven fürs Verständnis und die Kontrolle quantenmechanischer Systeme. Sie helfen nicht nur, Verschränkungsprozesse auf einer fundamentalen Ebene zu erklären, sondern haben auch klare Folgen für technologische Anwendungen wie Quantenkryptographie und Quantencomputing.
Das Team arbeitet weiter an der Entwicklung von Messprotokollen und steht in engem Austausch mit internationalen Kolleginnen und Kollegen, die diese ultraschnellen Verschränkungen experimentell nachweisen wollen. „Wir sind bereits in Gesprächen mit Forschungsteams, die solche ultraschnellen Verschränkungen nachweisen wollen“, bestätigt Prof. Joachim Burgdörfer.
Die Studienergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und bilden eine Grundlage für weitere Forschung, die die Grenzen unseres Wissens über Quantenprozesse und deren Anwendungen erweitern soll.