Ein Forscherteam unter der Leitung von Philip Walther an der Universität Wien führte ein bahnbrechendes Experiment durch, bei dem sie die Auswirkungen der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen maßen. Die Arbeit, veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschrittestellt eine bedeutende Errungenschaft dar, die die Grenzen der Rotationsempfindlichkeit bei auf Verschränkung basierenden Sensoren erweitert und möglicherweise den Weg für weitere Untersuchungen an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie ebnet.
Optische Sagnac-Interferometer sind die empfindlichsten Geräte für Rotationen. Sie haben seit Anfang des letzten Jahrhunderts entscheidend zu unserem Verständnis der fundamentalen Physik beigetragen und zur Etablierung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie beigetragen. Heute sind sie aufgrund ihrer beispiellosen Präzision das ultimative Werkzeug zur Messung von Rotationsgeschwindigkeiten, das nur durch die Grenzen der klassischen Physik begrenzt ist.
Interferometer, die Quantenverschränkung nutzen, haben das Potenzial, diese Grenzen zu durchbrechen. Wenn zwei oder mehr Teilchen verschränkt sind, ist nur der Gesamtzustand bekannt, während der Zustand des einzelnen Teilchens bis zur Messung unbestimmt bleibt. Dadurch können pro Messung mehr Informationen gewonnen werden, als dies ohne diese Methode möglich wäre. Der versprochene Quantensprung in der Empfindlichkeit wurde jedoch durch die äußerst empfindliche Natur der Verschränkung verhindert. Hier machte das Wiener Experiment den Unterschied.
Die Forscher bauten ein riesiges Sagnac-Interferometer aus Glasfasern und hielten das Rauschen mehrere Stunden lang niedrig und stabil. Dadurch konnten genügend verschränkte Photonenpaare hoher Qualität nachgewiesen werden, um die Rotationspräzision bisheriger quantenoptischer Sagnac-Interferometer um das Tausendfache zu übertreffen.
In einem Sagnac-Interferometer erreichen zwei Teilchen, die sich in entgegengesetzter Richtung auf einem rotierenden, geschlossenen Pfad bewegen, den Startpunkt zu unterschiedlichen Zeiten. Bei zwei verschränkten Teilchen wird es unheimlich: Sie verhalten sich wie ein einzelnes Teilchen, das beide Richtungen gleichzeitig testet, während sie im Vergleich zu dem Szenario ohne Verschränkung die doppelte Zeitverzögerung ansammeln.
Diese einzigartige Eigenschaft wird als Superauflösung bezeichnet. Im tatsächlichen Experiment bewegten sich zwei verschränkte Photonen in einer 2 Kilometer langen Glasfaser, die auf eine riesige Spule gewickelt war, wodurch ein Interferometer mit einer effektiven Fläche von mehr als 700 Quadratmetern entstand.
Eine große Hürde für die Forscher bestand darin, das stetige Rotationssignal der Erde zu isolieren und zu extrahieren. „Der Kern der Sache liegt darin, einen Referenzpunkt für unsere Messung zu schaffen, an dem das Licht von der Rotation der Erde unberührt bleibt. Da wir die Rotation der Erde nicht stoppen können, haben wir uns einen Workaround ausgedacht: Wir teilen die Glasfaser in zwei gleich lange Spulen auf und verbinden sie über einen optischen Schalter“, erklärt Hauptautor Raffaele Silvestri.
Durch das Ein- und Ausschalten des Schalters konnten die Forscher das Rotationssignal nach Belieben effektiv ausschalten, was ihnen auch erlaubte, die Stabilität ihres großen Apparats zu verlängern. „Wir haben das Licht im Grunde dazu gebracht zu glauben, es befinde sich in einem nicht rotierenden Universum“, sagt Silvestri.
Das Experiment, das im Rahmen des Forschungsnetzwerks TURIS der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurde, konnte den Effekt der Erdrotation auf einen maximal verschränkten Zwei-Photonen-Zustand erfolgreich beobachten. Damit wurde die Wechselwirkung zwischen rotierenden Referenzsystemen und Quantenverschränkung, wie sie in Einsteins spezieller Relativitätstheorie und der Quantenmechanik beschrieben wird, mit einer tausendfach verbesserten Präzision im Vergleich zu früheren Experimenten bestätigt.
„Das stellt einen bedeutenden Meilenstein dar, da ein Jahrhundert nach der ersten Beobachtung der Erdrotation mit Licht die Verschränkung einzelner Lichtquanten endlich den gleichen Empfindlichkeitsbereich erreicht hat“, sagt Haocun Yu, der als Marie-Curie-Postdoktorand an diesem Experiment arbeitete.
„Ich bin überzeugt, dass unsere Ergebnisse und unsere Methodik die Grundlage für weitere Verbesserungen der Rotationsempfindlichkeit von auf Verschränkung basierenden Sensoren bilden werden. Dies könnte den Weg für zukünftige Experimente ebnen, die das Verhalten der Quantenverschränkung durch die Kurven der Raumzeit testen“, fügt Philip Walther hinzu.
Mehr Informationen:
Raffaele Silvestri et al, Experimentelle Beobachtung der Erdrotation mit Quantenverschränkung, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado0215. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado0215