2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Im Rahmen des Experiments durchgeführte Messungen. Rote Linie - Bellsche Ungleichheitsbeschränkungen, quadratischer hervorgehobener Punkt - Lokalitätsverletzung mit einer Konfidenz von 3, 8 Sigma
Physiker der Universität Basel und der National University of Singapore haben die Verletzung der Vielteilchen-Bell-Ungleichungen für ein großes System komprimierter Spins, bestehend aus 480 Rubidiumatomen, nachgewiesen. Zuvor waren ähnliche Experimente nur mit Dutzenden von Teilchen bekannt. Das Experiment zeigt, so die Autoren, dass mit großen korrelierten Systemen gleichberechtigt mit Quanteninformation gearbeitet werden kann. Eine ihrer möglichen Anwendungen ist die effiziente Generierung von Zufallsvariablen. Die Studie wird in der Zeitschrift Science veröffentlicht, und ein Vorabdruck der Arbeit ist ebenfalls erhältlich.
Die Bellschen Ungleichungen stellen im einfachsten Fall eine Beschränkung der Beziehung zwischen den Ergebnissen zweier Messungen dar, die an verschiedenen Punkten im Raum durchgeführt wurden. Sie werden durch das Lokalitätsprinzip erzeugt, das es einem System verbietet, die physikalische Realität eines anderen Systems sofort zu beeinflussen. Ihre Arbeit lässt sich veranschaulichen, indem man die Quanteneigenschaften zweier Teilchen misst, zum Beispiel die Polarisation von Photonen oder die Spins von Fermionen.
In einem Gedankenexperiment zeigen Bells Ungleichungen, dass wir durch die Messung unterschiedlicher Polarisationsprojektionen für zwei im gleichen Prozess erzeugte Teilchen in mindestens einem Drittel der Fälle die Übereinstimmung von Experimenten erhalten. In der Praxis werden nur bei 25 Prozent der Messungen Zufälle beobachtet. Dies deutet darauf hin, dass die Zustände der Teilchen stärker korreliert sind, als dies durch die „Übereinstimmung“über das Verhalten in Experimenten (interne Parameter) erklärt werden kann. Dies ist ein Beispiel für eine Verletzung des Lokalitätsprinzips, bei der der Zustand eines Partikels das Ergebnis der Messung der Eigenschaften eines anderen Partikels sofort beeinflussen kann.
Theoretische Physiker haben die Bell-Ungleichungen auf den Vielteilchen-Fall erweitert - wenn sich herausstellt, dass viele Teilchen gleichzeitig korreliert sind. Solche Systeme sind der makroskopischen Welt näher, jedoch wurden Lokalitätsverletzungen und Bell-Korrelationen bisher nur in Systemen aus 14 Ionen, vier Photonen, Atompaaren und Qubit-Paaren nachgewiesen. Eine der Schwierigkeiten, solche Verbindungen zu finden, besteht darin, dass Experimentatoren die globalen Eigenschaften von Systemen messen und diese irgendwie auf die Eigenschaften der Systemkomponenten übertragen werden müssen.
In der neuen Arbeit haben Wissenschaftler die Anzahl der Partikel im untersuchten System deutlich erhöht. Die Autoren fingen etwa ein halbes Tausend kalte Rubidiumatome in einer Magnetfalle ein und bildeten dann mit Hilfe eines Lasers einen speziellen Spin-gepressten Zustand darin. In diesem Zustand kann die Richtung der "Drehachse" des Teilchens nur innerhalb einer sehr langgestreckten Ellipse schwingen (normalerweise beschreiben die Spins einen Kreis in einem Magnetfeld). Dann durften die Atome miteinander kollidieren - das beeinflusste ihre inneren Zustände und so entstand die "Quantenbindung" zwischen den Teilchen. Danach maßen Physiker wiederum mit Hilfe von Laserpulsen den kollektiven Spin des Systems.
Die von den Forschern getestete Art von Ungleichheit. Links - das Aussehen des Spin-Squeeze-Zustands
Die Autoren änderten die Formulierung der Vielteilchen-Bell-Ungleichung für das vorgeschlagene Experiment. Seine modifizierte Version zeigte, dass eine bestimmte Funktion in Abhängigkeit vom kollektiven Spin und einem Vektorpaar, das den gequetschten Zustand der Spins beschreibt, größer als Null sein muss. Die Forschungsdaten zeigten, dass diese Bedingung unter bestimmten Bedingungen mit einer Signifikanz von 3, 8 Sigma verletzt wurde, was darauf hindeutet, dass das System stärker korreliert ist, als es die klassische Physik zulässt.
Alexey Rubtsov, Leiter der Gruppe für stark korrelierte Quantensysteme am Russian Quantum Center, stellt fest, dass die erhaltene statistische Signifikanz ein sehr gutes Ergebnis für solche Experimente ist. Durch die Wahl kalter Rubidiumatome für das Experiment konnte laut dem Physiker die Dekohärenz effektiv bekämpft werden.
Physikern zufolge eröffnet die neue Arbeit neue Möglichkeiten zur quantitativen Analyse von Nichtlokalitätsverletzungen in Systemen, ähnlich wie man den Verschränkungsgrad von Teilchen quantitativ beschreiben kann. Darüber hinaus lassen sich mit dem vorgeschlagenen System zuverlässig Zufallsvariablen generieren – dieser Prozess wurde bereits für Qubit-Paare beschrieben, kann sich aber für Mehrteilchenobjekte als effizienter erweisen.
