Wie schnell ist die Quantenverschränkung? Wissenschaftler untersuchen es auf der Attosekundenskala

Die Quantentheorie beschreibt Ereignisse, die auf extrem kurzen Zeitskalen stattfinden. Früher betrachtete man solche Ereignisse als „momentan“ oder „augenblicklich“: Ein Elektron umkreist den Kern eines Atoms – im nächsten Moment wird es plötzlich von einem Lichtblitz herausgerissen. Zwei Teilchen kollidieren – im nächsten Moment sind sie plötzlich „quantenverschränkt“.

Heute kann jedoch die zeitliche Entwicklung solcher nahezu „augenblicklichen“ Effekte untersucht werden. Gemeinsam mit Forschungsteams aus China hat die TU Wien Computersimulationen entwickelt, mit denen sich ultraschnelle Prozesse simulieren lassen. Dadurch lässt sich herausfinden, wie Quantenverschränkung auf einer Zeitskala von Attosekunden entsteht.

Die Ergebnisse liegen nun vor veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Zwei Teilchen – ein Quantenobjekt

Wenn zwei Teilchen quantenverschränkt sind, macht es keinen Sinn, sie getrennt zu beschreiben. Auch wenn man den Zustand dieses Zweiteilchensystems genau kennt, kann man keine eindeutige Aussage über den Zustand eines einzelnen Teilchens treffen.

„Man könnte sagen, die Teilchen haben keine individuellen Eigenschaften, sie haben nur gemeinsame Eigenschaften. Mathematisch gesehen gehören sie fest zusammen, auch wenn sie sich an zwei völlig unterschiedlichen Orten befinden“, erklärt Prof. Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik an der TU Wien.

Bei Experimenten mit verschränkten Quantenteilchen sind Wissenschaftler meist daran interessiert, diese Quantenverschränkung möglichst lange aufrechtzuerhalten – etwa wenn sie die Quantenverschränkung für die Quantenkryptographie oder Quantencomputer nutzen wollen.

„Uns hingegen interessiert etwas anderes – herauszufinden, wie diese Verschränkung überhaupt entsteht und welche physikalischen Effekte auf extrem kurzen Zeitskalen eine Rolle spielen“, sagt Prof. Iva Březinová, eine der Autorinnen von die aktuelle Veröffentlichung.

Ein Elektron rauscht davon, eines bleibt beim Atom

Die Forscher untersuchten Atome, die von einem extrem intensiven und hochfrequenten Laserpuls getroffen wurden. Ein Elektron wird aus dem Atom herausgerissen und fliegt davon. Ist die Strahlung stark genug, ist es möglich, dass auch ein zweites Elektron des Atoms betroffen ist: Es kann in einen energiereicheren Zustand versetzt werden und den Atomkern dann auf einer anderen Bahn umkreisen.

Nach dem Laserpuls fliegt also ein Elektron weg und eines bleibt beim Atom mit unbekannter Energie. „Wir können zeigen, dass diese beiden Elektronen nun quantenverschränkt sind“, sagt Burgdörfer. „Man kann sie nur gemeinsam analysieren – und man kann an einem der Elektronen eine Messung durchführen und gleichzeitig etwas über das andere Elektron erfahren.“

Das Elektron selbst weiß nicht, wann es „geboren“ wurde

Mit einem geeigneten Messprotokoll, das zwei unterschiedliche Laserstrahlen kombiniert, konnte das Forschungsteam nun zeigen, dass es möglich ist, eine Situation zu erreichen, in der der „Geburtszeitpunkt“ des wegfliegenden Elektrons, also der Moment, in dem es den Ort verlässt, erreicht werden kann Atom, hängt mit dem Zustand des zurückbleibenden Elektrons zusammen. Diese beiden Eigenschaften sind quantenverschränkt.

„Das bedeutet, dass der Geburtszeitpunkt des wegfliegenden Elektrons grundsätzlich nicht bekannt ist. Man könnte sagen, dass das Elektron selbst nicht weiß, wann es das Atom verlassen hat“, sagt Burgdörfer. „Es befindet sich in einer quantenphysikalischen Überlagerung verschiedener Zustände. Es hat das Atom sowohl zu einem früheren als auch zu einem späteren Zeitpunkt verlassen.“

Welcher Zeitpunkt es „wirklich“ war, kann nicht beantwortet werden – die „eigentliche“ Antwort auf diese Frage gibt es in der Quantenphysik einfach nicht. Doch die Antwort hängt quantenphysikalisch mit dem – ebenfalls unbestimmten – Zustand des Elektrons zusammen, der beim Atom verbleibt. Befindet sich das verbleibende Elektron in einem Zustand höherer Energie, ist es wahrscheinlicher, dass das wegfliegende Elektron zu einem frühen Zeitpunkt herausgerissen wurde; Befindet sich das verbleibende Elektron in einem Zustand niedrigerer Energie, dann lag die „Geburtszeit“ des weggeflogenen freien Elektrons wahrscheinlich später – im Durchschnitt bei etwa 232 Attosekunden.

Das ist ein fast unvorstellbar kurzer Zeitraum: Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. „Diese Unterschiede lassen sich jedoch nicht nur berechnen, sondern auch experimentell messen“, sagt Burgdörfer. „Wir sind bereits in Gesprächen mit Forschungsteams, die solche ultraschnellen Verschränkungen nachweisen wollen.“

Die zeitliche Struktur „augenblicklicher“ Ereignisse

Die Arbeit zeigt, dass es nicht ausreicht, Quanteneffekte als „augenblicklich“ zu betrachten. Wichtige Zusammenhänge werden erst sichtbar, wenn es gelingt, die ultrakurzen Zeitskalen dieser Effekte aufzulösen.

„Das Elektron springt nicht einfach aus dem Atom heraus. Es ist sozusagen eine Welle, die aus dem Atom herausschwappt – und das braucht eine gewisse Zeit“, sagt Březinová. „Genau in dieser Phase kommt es zur Verschränkung, deren Wirkung sich später durch die Beobachtung der beiden Elektronen genau messen lässt.“