Gewürfelt und verschränkt

Die Welt der Quanten ist eine sonderbare: Licht tritt als Teilchen oder als Welle auf, Orte und Geschwindigkeiten von Teilchen lassen sich nicht gleichzeitig exakt messen. Weit voneinander entfernte Teilchen können auf spukhafte Weise miteinander verbunden sein (verschränkt). Die Quantenwelt ist bis heute ein großes Geheimnis, sie führt uns zu bisher unbekannten Phänomenen und zu merkwürdigen Materiezuständen.

Um die Quantenphysik anschaulicher und leichter verständlich zu machen, haben die Mitarbeiter des Schülerlabors PhotonLab am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Museum die so genannten Quantenwürfel entwickelt. Mit ihnen veranschaulichen sie das Phänomen der Verschränkung. Im Mikrokosmos sind Elementarteilchen mitunter verschränkt. Das heißt, sie sind auf klassisch nicht erklärbare Weise miteinander verbunden. Man kann Teilchen sogar mit Hilfe von Lasertechnik im Labor verschränken. So verschränkt man etwa Photonen, indem man ein Photon auf einen Kristall schickt. Dort wird es geteilt in zwei Photonen, die jeweils die Hälfte der Energie des Ausgangsphotons haben. Beide neu erzeugten Photonenhaben die gleichen Eigenschaften. Kennt man beispielsweise die Polarisationsrichtung von einem Photon, weiß man auch die von dem anderen. Dabei ist es völlig egal, wie weit die Teilchen voneinander entfernt sind – das kann auch am anderen Ende des Universums sein.

Die Quantenwürfel visualisieren den Aspekt der Verschränkung – der eigentlich ein Phänomen des Mikrokosmos ist - im Makrokosmos.

Die Quantenwürfel visualisieren nun die Verschränkung – die eigentlich ein Phänomen des Mikrokosmos ist - im Makrokosmos. Beide Würfel sind mit einem Gyroskop ausgestattet und kommunizieren über Bluetooth miteinander. Im „klassischen Fall“ leuchten beide bei Bewegung bunt. Wenn sie gewürfelt werden, nehmen sie unabhängig voneinander eine zufällige Farbe an. Auf Knopfdruck können sie aber auch „miteinander verschränkt“ werden. Wenn man jetzt einen der Würfel wirft, nehmen beide die gleiche – aber zufällige - Farbe an. „Das Würfeln entspricht also dem Messprozess. Mit dem Würfeln legt man den Quantenzustand ( hier die Farbe) des einen Würfels fest – und damit automatisch auch den des zweiten mit ihm verschränkten Würfels.“, erklärt Dr. Berit Körbitzer. Die junge Physikerin leitet das Projekt am PhotonLab, das im Rahmen der Quanten-Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung finanziert wird. Mit dem Quanta-Projekt will man die Chancen und den Nutzen von Quantentechnologien der Öffentlichkeit näherbringen.

Die Quantenwürfel sind nun erste Prototypen, zur Erklärung des Phänomens der Verschränkung. „Wir entwickeln die Würfel weiter und müssen sie noch alltagstauglicher machen“, erklärt Körbitzer. Dazu erhalten die Würfel nun noch eine stabile Plexiglas-Ummantelung. Dann werden sie sowohl im PhotonLab, als auch im Deutschen Museum zum Einsatz kommen.