Objekte, die voneinander weit entfernt sind, sich aber trotzdem nicht getrennt voneinander verstehen und beschreiben lassen – sie gehören zu den erstaunlichsten Merkwürdigkeiten der Quantenphysik. Photonenpaare, wie sie in speziellen Kristallen erzeugt werden sind ein prominentes Beispiel (down conversion Kristall – optische parametrische Oszillatoren). Durch sie kann man Quantenzustände teleportieren oder Daten mittels Quantenkryptografie abhörsicher übertragen. In Zukunft werden solche Experimente nicht nur mit Lichtteilchen möglich sein: An der TU Wien wurde nun mithilfe von ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten eine Methode entwickelt, korrelierte Atompaare zu erzeugen. Die Ergebnisse des Experimentes wurden im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Getrennt und doch vereint
Schon Einstein wollte nicht so recht daran glauben, dass voneinander getrennte Teilchen quantenphysikalisch verbunden sein können und nannte solche Phänomene „spukhafte Fernwirkung“. Doch seither wurden die überraschenden Schlussfolgerungen der Quantentheorie immer wieder bestätigt: Quantenteilchen können – auch wenn sie weit voneinander entfernt sind – noch immer zusammengehören und sich gewisse physikalische Eigenschaften „teilen“. „Das bedeutet nicht, dass man durch Manipulation am einen Teilchen auch das andere  verändern könnte, als wären sie durch einen unsichtbaren Faden miteinander verbunden“, erklärt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „Aber trotzdem muss man beide Teilchen als ein Quantensystem gemeinsam betrachten – und das gibt uns Möglichkeiten für spannende Experimente.“ Jörg Schmiedmayers Forschungsgruppe führte die Arbeiten an der TU Wien durch, unterstützt von theoretischen Berechnungen von Ulrich Hohenester an der Karl-Franzens-Universität Graz.

Energie- und Impulserhaltung

Um die quantenphysikalisch korrelierten Atome zu erzeugen, stellte man zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat her. Dieser exotische Materiezustand stellt sich bei extrem tiefen Temperaturen ein – einige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. In einem Bose-Einstein-Kondensat befinden sich alle Atome im niedrigst-möglichen Energiezustand. „Der Schlüssel zum Erfolg liegt in unseren Atom-Chips“ erklärt Thorsten Schumm (TU Wien). Mit diesen maßgeschneiderten Chip-Strukturen können Atome ganz gezielt manipuliert und gesteuert werden. So ist es möglich, den Atomen des ultrakalten Bose-Einstein-Kondensates gezielt ein Quantum Schwingungsenergie zuzuführen. Wenn die Atome dann wieder in den Zustand niedrigster Energie zurückkehren, muss das Kondensat die überschüssige Energie wieder loswerden. „Durch ein ausgeklügeltes Design unseres Atom-Chips hat das Bose-Einstein-Kondensat nur eine einzige Möglichkeit, Energie abzugeben: Die Aussendung von Atom-Paaren. Alle anderen Varianten sind quantenphysikalisch verboten“, erklärt Robert Bücker (TU Wien). Nach dem Gesetz der Impulserhaltung bewegen sich die beiden ausgesandten Atome dann in genau entgegengesetzte Richtungen auseinander. Der Prozess ist analog zu dem Effekt, der in speziellen nicht-linearen Kristallen bei der Erzeugung von Lichtteilchen-Paaren auftritt (optischer parametrischer Oszillator), aber nun funktioniert er nicht nur für Licht sondern auch für Materieteilchen.

Grundlagenforschung in Wien
Die ausgesandten Atom-Zwillinge kann man sich aber nicht einfach wie klassische Partikel vorstellen, wie sie etwa bei einer Explosion in alle Richtungen davonfliegen. Sie sind quantenphysikalische Kopien voneinander und unterscheiden sich nur durch die entgegengesetzte Bewegungsrichtung. Sie bilden quasi ein gemeinsames Quanten-Objekt – ein Atom kann nicht mathematisch beschrieben werden, ohne gleichzeitig auch das andere zu beschreiben. „Diese Atome werden wir in Zukunft für spannende Versuche nützen“, ist Jörg Schmiedmayer zuversichtlich. „Ein unglaublich aufregendes Forschungsgebiet tut sich hier auf. Welche neuen Erkenntnisse oder Anwendungsmöglichkeiten sich daraus ergeben werden, ist heute noch gar nicht absehbar. Es ist gut vorstellbar, dass durch diese korrelierten Atomstrahlen neue Quanten-Messverfahren ermöglicht werden, mit einer Präzision, die die Möglichkeiten der klassischen Physik bei weitem übersteigt.“

Originalpublikation:<link http: www.nature.com nphys journal vaop ncurrent full nphys1992.html _blank link_extern>R. Bücker et al., Twin-atom beams, Nature Physics, Advance Online Publication 01 May 2011.

Graphikdownload: <link http: tuweb.tuwien.ac.at>

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Rückfragehinweise:
Prof. Jörg Schmiedmayer
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141888
<link>schmiedmayer@atomchip.org

Dipl.-Phys. Robert Bücker
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141869
<link email>robert.buecker@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
<link>florian.aigner@tuwien.ac.at

Quantum Physics & Quantum Technologies ist – neben Computational Science & Engineering, Materials & Matter, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment – einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Erforscht werden mögliche Anwendungen von Quantenphänomenen. Diese reichen von fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen über Strahlungsquellen für ultrakurze Photonenpulse bis hin zur Steuerung der Zustände einzelner Atome und damit zu Bauelementen für den Quantencomputer.