Letzten Monat drei Wissenschaftler gewann den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit, die eine der kontraintuitivsten und doch folgenreichsten Realitäten der Quantenwelt beweist. Sie zeigten, dass zwei verschränkte Quantenteilchen als ein einziges System betrachtet werden müssen – ihre Zustände sind unaufhaltsam miteinander verflochten – selbst wenn die Teilchen durch große Entfernungen getrennt sind. In der Praxis bedeutet dieses Phänomen der „Nichtlokalität“, dass das System, das Sie vor sich haben, sofort von etwas beeinflusst werden kann, das Tausende von Kilometern entfernt ist.
Verschränkung und Nichtlokalität ermöglichen es Informatikern, unknackbare Codes zu erstellen. Bei einer Technik, die als geräteunabhängige Quantenschlüsselverteilung bekannt ist, wird ein Teilchenpaar verschränkt und dann an zwei Personen verteilt. Die gemeinsamen Eigenschaften der Partikel können nun als Code dienen, der die Kommunikation sogar vor Quantencomputern schützt – Maschinen, die in der Lage sind, klassische Verschlüsselungstechniken zu durchbrechen.
Aber warum bei zwei Teilchen aufhören? Theoretisch gibt es keine Obergrenze dafür, wie viele Teilchen einen verschränkten Zustand teilen können. Jahrzehntelang haben sich theoretische Physiker Drei-Wege-, Vier-Wege- und sogar Hundert-Wege-Quantenverbindungen vorgestellt – die Art von Dingen, die ein vollständig verteiltes, quantengeschütztes Internet ermöglichen würden. Jetzt hat ein Labor in China eine scheinbar nichtlokale Verschränkung zwischen drei Teilchen gleichzeitig erreicht, was möglicherweise die Stärke der Quantenkryptographie und die Möglichkeiten für Quantennetzwerke im Allgemeinen steigert.
„Zwei-Parteien-Nichtlokalität ist so schon verrückt genug“, sagte er Peter Bierhorst, ein Quanteninformationstheoretiker an der Universität von New Orleans. „Aber es stellt sich heraus, dass die Quantenmechanik Dinge tun kann, die sogar darüber hinausgehen, wenn Sie drei Parteien haben.“
Physiker haben zuvor mehr als zwei Teilchen verschränkt. Der Rekord liegt irgendwo dazwischen 14 Teilchen und 15 Billionen, je nachdem wen man fragt. Aber diese waren nur über kurze Entfernungen, höchstens nur wenige Zentimeter voneinander entfernt. Um die Mehrparteien-Verschränkung für die Kryptografie nutzbar zu machen, müssen Wissenschaftler über die einfache Verschränkung hinausgehen und Nicht-Lokalität demonstrieren – „eine hohe Messlatte, die es zu erreichen gilt“, sagte er Eli WolfeQuantentheoretiker am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada.
Der Schlüssel zum Nachweis der Nichtlokalität besteht darin, zu testen, ob die Eigenschaften eines Teilchens mit den Eigenschaften des anderen übereinstimmen – das Kennzeichen der Verschränkung – sobald sie weit genug voneinander entfernt sind, dass nichts anderes die Effekte verursachen könnte. Beispielsweise könnte ein Teilchen, das seinem verschränkten Zwilling noch physisch nahe ist, Strahlung aussenden, die das andere beeinflusst. Aber wenn sie eine Meile voneinander entfernt sind und praktisch augenblicklich gemessen werden, dann sind sie wahrscheinlich nur durch Verschränkung verbunden. Die Experimentatoren verwenden einen Satz von Gleichungen namens Bell-Ungleichungen um alle anderen Erklärungen für die verknüpften Eigenschaften der Partikel auszuschließen.
Bei drei Teilchen ist der Prozess zum Beweis der Nichtlokalität ähnlich, aber es gibt mehr Möglichkeiten zum Ausschließen. Dies erhöht die Komplexität sowohl der Messungen als auch der mathematischen Reifen, durch die die Wissenschaftler springen müssen, um die nichtlokale Beziehung der drei Teilchen zu beweisen. „Man muss einen kreativen Ansatz finden“, sagte Bierhorst – und über die Technologie verfügen, um genau die richtigen Bedingungen im Labor zu schaffen.
In den im August veröffentlichten Ergebnissen machte ein Team in Hefei, China, einen entscheidenden Sprung nach vorne. Erstens, indem sie Laser durch eine spezielle Art von Kristall schießen verstrickt drei Photonen und platzierte sie Hunderte von Metern voneinander entfernt in verschiedenen Bereichen der Forschungseinrichtung. Dann maßen sie gleichzeitig eine zufällige Eigenschaft jedes Photons. Die Forscher analysierten die Messungen und stellten fest, dass die Beziehung zwischen den drei Teilchen am besten durch die Drei-Wege-Quanten-Nichtlokalität erklärt werden kann. Es war die bisher umfassendste Demonstration der Drei-Wege-Nichtlokalität.