Albert Einstein bezeichnete die Quantenverschränkung noch skeptisch als „spukhafte Fernwirkung“, heute ist sie unverzichtbar für nahezu alle Quantentechnologien – vom Quantencomputer über Sensoren und hochgenaue Messmethoden bis zur verschlüsselten Quantenkommunikation. Die Verschränkung von Teilchen bewirkt eine quantenphysikalische Kopplung ihres Zustands: Wird ein Teilchen gemessen, ändert dies instantan und über beliebige Entfernungen hinweg auch den Quantenzustand des Partnerteilchens.
Aber kann eine solche Quantenverschränkung auch unter extremen Bedingungen entstehen und intakt bleiben? Bisher galt diese quantenphysikalische Kopplung als eher fragil und störungsanfällig, beispielsweise bei Qubits in Quantencomputern.
Sind die Zerfallsprodukte des Higgs-Bosons verschränkt?
Doch der stärkste Teilchenbeschleuniger der Welt, der Large Hadron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN bei Genf, belehrt uns nun eines Besseren. Dort haben Physiker der ATLAS-Kollaboration untersucht, ob beim Zerfall des Higgs-Bosons gebildete Z-Bosonen - Trägerteilchen der schwachen Kernkraft - quantenphysikalisch verschränkt sind. „Messungen mit solchen bosonischen Teilchen ermöglichen es uns, die Verschränkung von massereichen Teilchen unter extremen Bedingungen zu testen“, erklärt das Team.
Im Teilchenbeschleuniger entstehen Higgs-Bosonen und ihre Zerfallsprodukte nur bei extrem energiereichen Protonenkollisionen. Die Teilchen prallen dabei mit 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit und Energien von mehr als 13 Teraelektronenvolt aufeinander. „Weil der LHC bei diesen Energien arbeitet, ermöglicht er uns Tests der Verschränkung auch für massereiche, kurzlebige Teilchen“, schreiben die Physiker. Denn die vom Higgs-Boson freigesetzten Z-Bosonenpaare zerfallen schon nach wenigen Sekundenbruchteilen.
Flugbahn verrät die Verschränkung
Um die Quantenverschränkung der Z-Bosonen zu messen, müssen die Physiker daher indirekte Methoden nutzen. Dafür analysierten sie mithilfe des ATLAS-Detektors die Winkel, in denen die Zerfallsprodukte der Z-Bosonen auseinanderfliegen. Diese Flugbahnen erlauben Rückschlüsse auf den Teilchenspin der Z-Bosonen und auch darauf, ob sie als verschränkte Paare entstanden sind oder nicht. Für ihre Messungen werteten die Forschenden Daten der gesamten zweiten und eines Teils der dritten Laufzeit des Beschleunigers aus – dies entspricht Millionen Z-Bosonen-Ereignissen.
Und tatsächlich: Die Analysen ergaben, dass die Z-Bosonen im Teilchenbeschleuniger nicht unabhängig voneinander entstehen, sondern paarweise miteinander verschränkt sind. „Unsere Daten widerlegen die Nullhypothese eines nicht verschränkten Quantenzustands dieser Teilchen mit einer Signifikanz von 4,7 Standardabweichungen“, berichten die Physiker. „Diese Resultate stellen den ersten Nachweis einer Quantenverschränkung zwischen zwei massereichen Vektorbosonen auf der elektroschwachen Skala dar.“
Im LHC gemessene Werte (senkrechte schwarze Linie) und die erwarteten Werte für nicht-verschränkte (orange) und verschränkte Z-Bosonen (blau). — © ATLAS Collaboration/ Physical Review Letters, CC-by 4.0
„Zeigt, wie fundamental und robust dieser Quanteneffekt ist“
Das legt nahe, dass die Quantenverschränkung weniger fragil sein muss als landläufig gedacht. „Dass dies selbst bei so schweren, kurzlebigen Teilchen wie den Z-Bosonen funktioniert, zeigt, wie fundamental und robust dieser Quanteneffekt wirklich ist“, sagt Co-Autor Alan Barr von der University of Oxford. „Das erinnert uns daran, dass die exotischen Regeln der Quantenmechanik, die unsere Quantencomputer ermöglichen, auch anderswo in der Natur gelten – selbst unter so extremen Energien wie im Large Hadron Collider.“
Gleichzeitig unterstreicht dieses Experiment, wie eng quantenphysikalische Konzepte und Teilchenphysik verknüpft sind. „Die Verschränkung ist sowohl der vielversprechendste als auch der rätselhafteste Aspekt der Quantenrealität“, sagt Barrs Kollege Chris Timpson. „Solche Tests in Teilchenbeschleunigern eröffnen uns neue Möglichkeiten, die Grundlagen der Quantenmechanik zu erforschen.“
Quelle: ATLAS Collaboration, Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/y1nh-1b82
