Wenn Unzertrennbares getrennt wird: Meilenstein in der Überprüfung der Quantenmechanik

16.10.2009 - Schweiz

Forschenden des Swiss Nanoscience Institute an der Universität Basel ist es in Zusammenarbeit mit der Universität Budapest und dem Nanoscience Center in Kopenhagen erstmals gelungen, in einem Festkörper verschränkte Elektronen zu trennen. Das Experiment könnte ein Meilenstein in der Überprüfung der Quantenmechanik sein.

Nach der Quantenmechanik können zwei mikroskopische Objekte, insbesondere Elektronen, verschränkt werden. «Verschränkung» bedeutet hier eine komplexe Art und Weise, miteinander verbunden zu werden, wobei diese Verbindung unter gewissen Umständen bestehen bleibt, auch wenn die beiden Objekte räumlich getrennt werden. Es ist möglich, nach der Trennung das eine Objekt derart zu stören, dass dies beim anderen Objekt messbar ist. Da die beiden keine Information mehr untereinander austauschen, scheinen die Teilchen den Messprozess des jeweils anderen bereits vor dessen Eintreten zu kennen. Mit dieser gedanklichen Konstruktion «hellsichtiger» Elektronen versuchten Albert Einstein, Boris Podolski und Nathan Rosen 1935 die Quantenmechanik ad absurdum zu führen. Der nach seinen Erfindern benannte EPR-Effekt wurde jedoch unter gewissen Umständen nachgewiesen und hat die Existenz der Quantenverschränkung bestätigt.

Forschende um Prof. Christian Schönenberger von der Universität Basel haben nun auf einer nur wenige tausendstel Millimeter großen elektronischen Schaltung das Verhalten verschränkter Elektronen beim Übergang aus einem Supraleiter in getrennte Quantenpunkte untersucht. Dabei ist es ihnen erstmals gelungen, innerhalb eines Halbleiters verschränkte Elektronen zu trennen und kurze Zeit getrennt aufzubewahren. Der experimentelle Aufbau ist ein möglicher Kandidat, um den EPR-Effekt erstmals innerhalb eines Festkörpers nachzuweisen.

Mit Hilfe einer Tunnelbarriere extrahieren die Forscher einzelne verschränkte Elektronenpaare aus einem Supraleiter. Die Trennung der beiden Elektronen erfolgt in zwei räumlich getrennten Fallen, so genannten Quantenpunkten, in denen die Elektronen für kurze Zeit festgehalten werden. Die Idee basiert auf einen theoretischen Vorschlag aus der Arbeitsgruppe um Prof. Daniel Loss von der Universität Basel. Von dieser neu entwickelten Technologie versprechen sich die Wissenschaftler Aufschlüsse über Quantenphänomene. Sie könnte einen wichtigen Beitrag zur Realisierung neuartiger Komponenten eines Quantencomputers darstellen. Quantencomputer sind derzeit noch hypothetische Rechner, die aber in der Lage wären, komplexe Rechenoperationen in einem Bruchteil der Zeit eines herkömmlichen Computers zu erledigen.

Originalveröffentlichung: L. Hofstetter, S. Csonka, J. Nygård, C. Schönenberger; "Cooper pair splitter realised in a two quantum dot Y-junction", Nature 461, 960-963 (15 October 2009)

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