Ein bahnbrechendes Experiment unter der Leitung der Universität Wien hat es ermöglicht, die Auswirkung der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen zu messen.
Die in Science Advances veröffentlichte Arbeit stellt eine bedeutende Errungenschaft dar, die die Grenzen der Rotationsempfindlichkeit in verschränkungsbasierten Sensoren verschiebt und den Grundstein für weitere Forschungen an der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie legen könnte.
Optische Interferometer von Sagnac sind die empfindlichsten Geräte gegenüber Rotationen. Sie sind seit den frühen Jahren des letzten Jahrhunderts von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis der Grundlagenphysik und haben zur Etablierung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie beigetragen. Ihre beispiellose Präzision macht sie heute zum ultimativen 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 überschreiten. Wenn zwei oder mehr Teilchen miteinander verschränkt sind, ist nur der Gesamtzustand bekannt, während der Zustand des einzelnen Teilchens bis zur Messung unbestimmt bleibt. Damit lassen sich pro Messung mehr Informationen gewinnen, als es ohne sie möglich wäre. Der versprochene Quantensprung in der Empfindlichkeit wurde jedoch durch die äußerst heikle Natur der Verschränkung behindert. Hier hat das Wiener Experiment einen Unterschied gemacht.
Die Forscher bauten ein riesiges faseroptisches Sagnac-Interferometer und hielten das Rauschen mehrere Stunden lang niedrig und stabil. Dies ermöglichte den Nachweis von ausreichend hochwertigen verschränkten Photonenpaaren, um die Rotationsgenauigkeit früherer quantenoptischer Sagnac-Interferometer um das Tausendfache zu übertreffen.
In einem Sagnac-Interferometer erreichen zwei Teilchen, die sich in entgegengesetzte Richtungen einer rotierenden geschlossenen Bahn bewegen, zu unterschiedlichen Zeiten den Startpunkt. Bei zwei verschränkten Teilchen wird es „gespenstisch“: Sie verhalten sich wie ein einzelnes Teilchen, das beide Richtungen gleichzeitig testet, wobei sie im Vergleich zum Szenario ohne Verschränkung die doppelte Zeitverzögerung aufweisen.
Diese einzigartige Eigenschaft wird als Superauflösung bezeichnet. Im eigentlichen Experiment breiteten sich zwei verschränkte Photonen in einer 2 Kilometer langen optischen Faser aus, die zu einer riesigen 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 konstante Rotationssignal der Erde zu isolieren und zu extrahieren. „Der Kern der Sache besteht darin, einen Referenzpunkt für unsere Messung festzulegen, an dem das Licht nicht durch den Effekt der Erdrotation beeinflusst wird. Da wir die Erdrotation nicht stoppen können, haben wir eine alternative Lösung entwickelt: die Aufteilung der optischen Faser in zwei Spulen.“ gleicher Länge und verbinden sie über einen optischen Schalter“, erklärt Erstautor Raffaele Silvestri.
Durch das Ein- und Ausschalten des Schalters konnten die Forscher das Rotationssignal nach Belieben effektiv unterdrücken und so auch die Stabilität ihres großen Apparats erhöhen. „Im Grunde haben wir das Licht dazu verleitet, zu glauben, es befinde sich in einem nicht rotierenden Universum“, sagt Silvestri in einer Erklärung.
Das Experiment, das im Rahmen des von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften geförderten Forschungsnetzwerks TURIS durchgeführt wurde, hat erfolgreich den Effekt der Erdrotation im Zustand maximaler Zwei-Photonen-Verschränkung beobachtet. Dies bestätigt die Wechselwirkung zwischen rotierenden Referenzsystemen und Quantenverschränkung, wie sie in Einsteins spezieller Relativitätstheorie und Quantenmechanik beschrieben wird, mit tausendfach höherer Präzision im Vergleich zu früheren Experimenten.
„Dies stellt einen bedeutenden Meilenstein dar, da die Einzelphotonenverschränkung ein Jahrhundert nach der ersten Beobachtung der Erdrotation mit Licht endlich die gleichen Empfindlichkeitsbereiche erreicht hat“, sagt Haocun Yu, der als Marie-Curie-Postdoktorand an diesem Experiment gearbeitet hat.
„Ich glaube, dass unser Ergebnis und unsere Methodik den Grundstein für zukünftige Verbesserungen der Rotationsempfindlichkeit verschränkungsbasierter Sensoren legen werden. Dies könnte den Weg für zukünftige Experimente ebnen, die das Verhalten der Quantenverschränkung über Raum-Zeit-Kurven hinweg testen.“
