Quantenverschränkungen und Quantenkorrelationen gehören zu den verblüffendsten Phänomenen der Physik. 2022 wurde für fundamentale Arbeiten dazu der Physik-Nobelpreis vergeben. Um diese Phänomene aber technologisch nutzbar zu machen, zum Beispiel für Datenverarbeitung, braucht man oft etwas kompliziertere Strategien als bisher zur Verfügung stehen. Genau daran arbeitet die Physikerin Elizabeth Agudelo am Atominstitut der TU Wien. Sie untersucht unterschiedliche Formen von Quantenkorrelationen und entwickelt neue Vorschläge, sie experimentell nachzuweisen. Dafür erhielt sie nun eines der renommierten Elise-Richter-Stipendien des Wissenschaftsfonds FWF.

Geheimnisvolle Quantenverschränkung

In unserer alltäglichen, klassischen Welt hat jedes Objekt einen eindeutigen, beobachtbaren Zustand: ein Auto fährt entweder nach links oder nach rechts, ein Kreisel dreht sich entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. In der Quantenphysik ist das anders – ein Quantenobjekt kann in gewissem Sinn mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Ein Atom kann sich zu einem bestimmten Zeitpunkt sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn drehen. Ein Photon kann gleichzeitig horizontal und vertikal schwingen. Man spricht dann von einem Überlagerungszustand. Erst wenn man den Zustand misst, zwingt man das Teilchen dazu, sich auf eine der beiden Varianten festzulegen – welche das ist, kann man nicht sagen. Das ist purer Zufall.

Doch die Sache wird noch viel merkwürdiger: Es ist nämlich möglich, dass sich mehrere Quantenteilchen einen Zustand teilen. Man kann zum Beispiel zwei Photonen erzeugen, die sich beide in einem Überlagerungszustand befinden.

Obwohl das Messresultat völlig zufällig ist, können die zufälligen Ergebnisse an diesen beiden Photonen trotzdem miteinander korreliert sein. Wenn man ein Photon misst, ist es grundsätzlich unmöglich, das Ergebnis vorherzusagen – aber welches Ergebnis sich auch ergibt, das Partnerphoton wird genau dasselbe Ergebnis zeigen. Diese ungewohnte Korrelation zwischen den Messergebnissen verschiedener Photonen lässt sich beweisen und für neuartige Formen von Quantenkommunikation nutzen.

Komplizierte Korrelationen

Diese Phänomene sind heute gut verstanden, aber es gibt noch viel mehr zu entdecken. Elizabeth Agudelo forscht an noch komplizierteren Formen von Quantenkorrelationen: Man kann spezielle Situationen finden, indem sich mehrere Photonen oder mehrere Quantenfelder ihre Quanteneigenschaften auf subtile Weise teilen, man braucht dafür ausgeklügelte Strategien, um diese Korrelationen herzustellen und zu detektieren.

Je mehr Kontrolle man über diese subtilen Quanten-Zusammenhänge zwischen mehreren Teilchen hat, umso effizienter kann man sie technologisch nutzen – von der Quanten-Datenübertragung bis zum Quantencomputer. Elizabeth Agudelo untersucht neue, hochkomplexe Systeme, um die seltsame Welt der Quanten noch besser in unseren technischen Alltag einbauen zu können.

Elizabeth Agudelo

Elizabeth Agudelo stammt aus Kolumbien und schloss ihr Bachelor-Studium in Medellin ab. Ihr Masterstudium setzte sie in Belo Horizonte (Brasilien) fort und schloss ihre Dissertation dann in Rostock (Deutschland) ab. Nach einem kurzen Forschungsaufenthalt in Kolumbien forschte sie als Postdoc in Florenz (Italien) bevor sie dann 2019 in die Forschungsgruppe von Prof. Marcus Huber an der TU Wien eintrat.

Text: Florian Aigner