Die Messgenauigkeit von Atomuhren hat beinahe die prinzipielle Grenze erreicht, die ihr die Gesetze der Quantenmechanik vorgeben. Eine weitere Steigerung der Genauigkeit wäre dann eigentlich nicht mehr möglich. Der dänische Physiker Allan Sorensen von der Universität Aarhus und seine Kollegen haben jetzt ausgerechnet, dass diese Grenze in einem aus mehreren Millionen Atomen bestehenden Bose-Einstein-Kondensat unterschritten werden kann. Das berichtet die Zeitschrift Nature.
Die Genauigkeit jeder physikalischen Messung wird durch die Unschärferelation der Quantenmechanik begrenzt. Hat man in einem System mehrere Atome, dann setzt sich die Messungenauigkeit des gesamten Systems aus den Messungenauigkeiten der einzelnen Atome zusammen. Sorensen hat jetzt gezeigt, dass man die zusammengesetzte Messungenauigkeit mittels des von Albert Einstein “spukhafte Fernwirkung” genannten Konzeptes der verschränkten Zustände verringern kann.
Haben zwei oder mehrere Teilchen miteinander verschränkte Zustände, dann hat die Änderung des Zustandes eines der beiden Teilchen immer die sofortige Änderung des Zustandes des anderen Teilchens zur Folge, und zwar unabhängig davon, wie weit diese Teilchen voneinander entfernt sind. Die Voraussetzung dafür ist, dass die quantenmechanischen Wellenfunktionen, die die Eigenschaften der einzelnen Teilchen beschreiben, zu einer einzigen Wellenfunktion verschmelzen.
Genau das ist bei einem Bose-Einstein-Kondensat der Fall. Ein solches Kondensat erhält man, wenn man identische Atome mit ganzzahligem Spin auf eine Temperatur abkühlt, die nur wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius liegen darf. Dem Spin entspricht in unserer Alltagswelt der Drehimpuls zum Beispiel eines Kreisels.
Sorensens Idee besteht nun darin, die Messgenauigkeit einer Komponente des Gesamtspins des Kondensates dadurch zu erhöhen, dass er die Spinrichtungen der einzelnen Atome so dreht, dass sich die einzelnen Ungenauigkeiten bezüglich dieser Komponente nicht alle aufaddieren, sondern zum Teil ausgleichen. Das will er durch die Bestrahlung des Kondensates mit einem für diesen Zweck “maßgeschneiderten” Mikrowellenfeld erreichen.
Mit der Verschränkung einiger Millionen Atome wird – zumindest theoretisch – die Teleportation makroskopischer Objekte möglich.
Mehr über Teleportation erfahren Sie in “Einstein widerlegt: Quantenteleportation funktioniert” und “Teleportation: Das “Beamen” von Lichtteilchen”.
Mehr über verschränkte Zustände erfahren Sie in “Durch Quantenkryptografie zum unschlagbaren Verschlüsselungscode” und im bdw-Hintergrundbericht “Die ultimative Computerrevolution”.
Axel Tillemans
