Photonik-Experiment löst Quantenparadoxon

Es scheint, dass Quantenmechanik und Thermodynamik nicht gleichzeitig wahr sein können. In einer neuen Veröffentlichung verwenden UT-Forscher Photonen in einem optischen Chip, um zu demonstrieren, wie beide Theorien gleichzeitig wahr sein können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich in der Fachzeitschrift Naturkommunikation.

In der Quantenmechanik kann die Zeit umgekehrt werden und Informationen bleiben immer erhalten. Das heißt, man kann immer den vorherigen Zustand von Teilchen finden. Dies mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in Einklang zu bringen, war ein schwieriges Paradoxon. Dort hat die Zeit eine Richtung und es können auch Informationen verloren gehen. „Denken Sie nur an zwei Fotos, die Sie zu lange in die Sonne legen, nach einer Weile können Sie sie nicht mehr unterscheiden“, erklärt Autor Jelmer Renema.

Für dieses Quantenrätsel gab es bereits eine theoretische Lösung und sogar ein Experiment mit Atomen, doch nun haben die UT-Forscher es auch mit Photonen demonstriert. „Photonen haben den Vorteil, dass man mit ihnen ganz einfach die Zeit umkehren kann“, erklärt Renema. Im Experiment verwendeten die Forscher einen optischen Chip mit Kanälen, durch die die Photonen passieren konnten. Zunächst konnten sie genau bestimmen, wie viele Photonen sich in jedem Kanal befanden, doch danach wechselten die Photonen ihre Positionen.

Verschränkung von Subsystemen

„Als wir uns die einzelnen Kanäle ansahen, gehorchten sie den Gesetzen der Thermodynamik und bauten Unordnung auf. Basierend auf Messungen an einem Kanal wussten wir nicht, wie viele Photonen sich noch in diesem Kanal befanden, aber das Gesamtsystem stimmte mit der Quantenmechanik überein.“ „, sagt Renema. Die verschiedenen Kanäle – auch Subsysteme genannt – waren miteinander verflochten. Die fehlenden Informationen in einem Subsystem „verschwinden“ im anderen Subsystem.

Dr. Jelmer Renema ist Assistenzprofessor in der Forschungsgruppe Adaptive Quantenoptik. Zu seinem Team gehörte die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Jens Eisert von der Freien Universität Berlin, die maßgeblich am Nachweis der Reversibilität des Experiments beteiligt war. Sie haben kürzlich ihren Artikel mit dem Titel „Quantum simulation of thermodynamics in an Integrated Quantum Photonic Processor“ in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.