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Das Experiment, das es Menschen ermöglicht, Quantenverschränkung zu sehen
Verschränkung ist das seltsame Phänomen, bei dem zwei Quantenteilchen so tief miteinander verbunden werden, dass sie dieselbe Existenz teilen. Wenn dies geschieht, beeinflusst eine Messung an einem Partikel sofort das andere, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen.
Die Verschränkung hat Physiker fast ein Jahrhundert lang verwirrt. Seine Existenz war zunächst umstritten. Aber heute erzeugen Physiker in Labors auf der ganzen Welt verschränkte Teilchen in großer Zahl. Sie verwenden Verschränkung routinemäßig, um perfekt verschlüsselte Nachrichten zu senden, Quantenberechnungen zu untersuchen und die Natur dieses tiefgreifenden Phänomens besser zu verstehen.
Die Leichtigkeit, mit der Teilchen wie Photonen verschränkt werden können, hat einige Physiker dazu veranlasst, eine interessante zusätzliche Frage zu stellen: Werden Menschen jemals in der Lage sein, Verschränkung zu sehen?
Heute bekommen wir dank der Arbeit von Valentina Caprara Vivoli an der Universität Genf in der Schweiz ein paar Kumpels eine Antwort. Sie haben ein Experiment entwickelt, das es einem menschlichen Auge ermöglichen soll, Verschränkungen direkt zu erkennen. Und sie sagen, die Szene sei jetzt bereit für das erste Experiment dieser Art.
Einen Weg für das menschliche Auge zu finden, um verschränkte Photonen zu erkennen, klingt einfach. Schließlich ist das Auge ein Photonendetektor, also sollte es für ein Auge möglich sein, einen Photodetektor in jedem Standardexperiment zum Nachweis von Verschränkung zu ersetzen.
Ein solches Experiment könnte aus einer Quelle verschränkter Photonenpaare bestehen, von denen jedes über einen geeigneten Versuchsaufbau zu einem Fotodetektor gesendet wird.
Durch Vergleich der Ankunft von Photonen an jedem Detektor und durch mehrmaliges Wiederholen des Erfassungsprozesses ist es möglich, statistisch zu bestimmen, ob eine Verschränkung auftritt.
Man kann sich leicht vorstellen, dass dieses Experiment leicht wiederholt werden kann, indem man einen der Fotodetektoren durch ein Auge ersetzt. Aber es stellt sich heraus, dass dies nicht der Fall ist.
Das Hauptproblem besteht darin, dass das Auge einzelne Photonen nicht erkennen kann. Stattdessen muss jeder lichtempfindliche Stab im Augenhintergrund von einer guten Handvoll Photonen stimuliert werden, um eine Erkennung auszulösen. Es wird angenommen, dass die niedrigste Anzahl von Photonen, die den Trick ausführen können, etwa sieben beträgt, aber in der Praxis sehen die Menschen Photonen normalerweise nur, wenn sie zu Hunderten oder Tausenden ankommen.
Selbst dann ist das Auge kein besonders effizienter Photodetektor. Ein gutes Optiklabor verfügt über Fotodetektoren, die weit über 90 Prozent effizient sind. Im Gegensatz dazu hat das Auge bei den allerniedrigsten Lichtstärken eine Effizienz von etwa 8 Prozent. Das bedeutet, dass ihm viele Photonen entgehen.
Das schafft ein erhebliches Problem. Damit ein menschliches Auge Verschränkung jemals auf diese Weise sehen kann, müssen Physiker nicht nur zwei, sondern mindestens sieben Photonen verschränken, im Idealfall viele Hundert oder Tausende davon.
Und das ist mit der heutigen Technologie einfach nicht möglich. Physiker sind bestenfalls in der Lage, ein halbes Dutzend Photonen zu verschränken, aber selbst das ist eine schwierige Aufgabe.
Was benötigt wird, ist eine Möglichkeit, die Wirkung eines einzelnen verschränkten Photons zu verstärken, damit es vom Auge erkannt werden kann, ohne jedoch die überaus wichtige Verschränkung zu zerstören.
Vivoli und Co sagen, dass sie einen Trick entwickelt haben, der ein einzelnes verschränktes Photon effektiv in viele Photonen verstärkt, die das Auge sehen kann. Ihr Trick beruht auf einer Technik namens Verschiebungsoperation, bei der zwei Quantenobjekte interferieren, sodass eines die Phase des anderen ändert.
Eine Möglichkeit, dies mit Photonen zu tun, ist ein Strahlteiler. Stellen Sie sich einen Strahl kohärenter Photonen von einem Laser vor, der auf einen Strahlteiler gerichtet ist. Der Strahl wird durch den Teiler übertragen, aber eine Phasenänderung kann dazu führen, dass er stattdessen reflektiert wird.
Stellen Sie sich nun einen weiteren Strahl kohärenter Photonen vor, der mit dem ersten interferiert. Dadurch ändert sich die Phase des ersten Strahls, sodass er eher reflektiert als durchgelassen wird. Mit anderen Worten kann der zweite Strahl die Reflexion ein- und ausschalten.
Entscheidend ist, dass der Schaltstrahl nicht so intensiv sein muss wie der Fernstrahl – er muss nur kohärent sein. In der Tat kann ein einzelnes Photon zumindest theoretisch diesen Trick ausführen, um einen intensiveren Strahl zu schalten.
Das ist die Basis des neuen Ansatzes. Die Idee ist, ein einzelnes verschränktes Photon zu verwenden, um den Durchgang eines stärkeren Strahls durch einen Strahlteiler zu schalten. Und es ist dieser stärkere Strahl, den das Auge erkennt und der immer noch die Quantennatur der ursprünglichen Verschränkung bewahrt.
Das ist die Theorie. Vivoli und Co sagen, dass die Technologie für diese Art von Experimenten jetzt verfügbar ist. Sie sagen, ihre Arbeit zeige überzeugend die Möglichkeit, das erste Experiment zu realisieren, bei dem die Verschränkung mit dem Auge beobachtet wird.
Trotzdem wird dieses Experiment schwer durchzuführen sein. Es wird zum Beispiel schwierig sein, sicherzustellen, dass der optische Verstärker so funktioniert, wie sie es behaupten.
Und selbst wenn dies der Fall ist, wird es noch schwieriger, jede Erkennung im Auge zuverlässig zu erfassen. Der Test auf Verschränkung ist ein statistischer Test, der viele Zählungen von beiden Detektoren erfordert. Das bedeutet, dass eine Person in dem Experiment sitzen und für jeden Durchlauf eine Ja- oder Nein-Antwort registrieren müsste, die tausend- oder zehntausendmal wiederholt wird. Freiwillige müssen viel Zeit zur Verfügung haben.
Dennoch ist es möglich, dass die ersten Experimente dieser Art bereits im Gange sind, vielleicht sogar in den Labors von Vivoli und Co. Wir könnten also bald die Identität der ersten Person herausfinden, die Verstrickung sieht.
Natürlich werden Experimente wie dieses der populären Wahrnehmung von Verstrickung schnell den Glamour und die Romantik nehmen. In der Tat ist es schwer zu verstehen, warum jemand über die Zeit, die für dieses Experiment benötigt wird, mit einem Fotodetektor verwickelt sein möchte.
Eine Möglichkeit, diese Motivation zu erhöhen, wäre, das Experiment so zu modifizieren, dass es zwei Menschen miteinander verwickelt. Es ist nicht schwer vorstellbar, dass ein Volk an einem solchen Experiment teilnehmen möchte, vielleicht sogar eifrig.
Dies erfordert einen modifizierten Aufbau, bei dem beide Detektoren menschliche Augen mit ihrem hohen Auslösepegel und ihrer geringen Effizienz sind. Ob dies mit dem Setup von Vivoli und Co möglich sein wird, ist noch nicht klar.
Nur dann werden Freiwillige in der Lage sein, die Frage zu beantworten, die den meisten Physikern unangenehm ist. Wie fühlt es sich an, mit einem anderen Menschen verstrickt zu sein?
In Anbetracht der Natur dieses Experiments wird die Antwort erschreckend langweilig sein. Aber wie Vivoli und Co. in ihrer Schlussfolgerung hervorheben: Man kann mit Sicherheit sagen, dass die Untersuchung des menschlichen Sehens mit Quantenlicht Terra incognita ist. Dies macht es zu einer attraktiven Herausforderung für sich.
Ziemlich!
Ref: arxiv.org/abs/1602.01907 : Was braucht es, um Verschränkung zu sehen?