Einstein-Podolsky-Rosen paradoks observeret i mange-partikelsystemet for første gang

Fysikere fra universitetet i Basel har for første gang observeret det kvantemekaniske Einstein-Podolsky-Rosen-paradoks i et system af flere hundrede interagerende atomer. Fænomenet går tilbage til et berømt tankeeksperiment fra 1935. Det gør det muligt at forudsige måleresultater præcist og kunne bruges i nye typer sensorer og billeddannelsesmetoder til elektromagnetiske felter. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Hvor præcist kan vi forudsige resultaterne af målinger på et fysisk system? I en verden af ​​små partikler, som er styret af kvantefysikkens love, der er en grundlæggende grænse for præcisionen af ​​sådanne forudsigelser. Denne grænse er udtrykt af Heisenberg-usikkerhedsprincippet, som siger, at det er umuligt samtidig at forudsige målingerne af en partikels position og momentum, eller af to komponenter i et spin, med vilkårlig præcision.

Et paradoksalt fald i usikkerhed

I 1935, imidlertid, Albert Einstein, Boris Podolsky, og Nathan Rosen offentliggjorde et berømt papir, hvori de viste, at præcise forudsigelser er teoretisk mulige under visse omstændigheder. For at gøre det, de betragtede to systemer, A og B, i hvad der er kendt som en "sammenfiltret" tilstand, hvor deres egenskaber er stærkt korrelerede.

I dette tilfælde, resultaterne af målinger på system A kan bruges til at forudsige resultaterne af tilsvarende målinger på system B med vilkårlig præcision. Dette er muligt, selvom system A og B er rumligt adskilt. Det paradoksale er, at en observatør kan bruge målinger på system A til at komme med mere præcise udsagn om system B end en observatør, der har direkte adgang til system B (men ikke til A).

Første observation i et system med mange partikler

I fortiden, eksperimenter har brugt lys eller individuelle atomer til at studere EPR-paradokset, som tager sine initialer fra de videnskabsmænd, der opdagede det. Nu, et hold fysikere ledet af professor Philipp Treutlein fra Institut for Fysik ved Universitetet i Basel og det schweiziske nanovidenskabsinstitut (SNI) har med succes observeret EPR-paradokset ved at bruge et mange-partikelsystem med flere hundrede interagerende atomer for første gang.

Eksperimentet brugte lasere til at afkøle atomer til blot et par milliardtedele af en grad over det absolutte nulpunkt. Ved disse temperaturer, atomerne opfører sig fuldstændig i overensstemmelse med kvantemekanikkens love og danner det, der er kendt som et Bose-Einstein-kondensat - en stoftilstand, som Einstein forudsagde i et andet banebrydende papir i 1925. I denne ultrakolde sky, atomerne kolliderer konstant med hinanden, hvilket får deres spins til at blive viklet ind.

Forskerne tog derefter målinger af spindet i rumligt adskilte områder af kondensatet. Takket være billedbehandling i høj opløsning, de var i stand til at måle spin-korrelationerne mellem de separate regioner direkte og, på samme tid, at lokalisere atomerne i præcist definerede positioner. Med deres eksperiment, det lykkedes forskerne at bruge målinger i en given region til at forudsige resultaterne for en anden region.

"Resultaterne af målingerne i de to regioner var så stærkt korrelerede, at de tillod os at demonstrere EPR-paradokset, " siger ph.d.-studerende Matteo Fadel, hovedforfatter af undersøgelsen. "Det er fascinerende at observere et så fundamentalt kvantefysisk fænomen i stadig større systemer. Samtidig, vores eksperimenter etablerer en forbindelse mellem to af Einsteins vigtigste værker."

På vej mod kvanteteknologi

Ud over deres grundforskning, videnskabsmændene spekulerer allerede i mulige anvendelser for deres opdagelse. For eksempel, de sammenhænge, ​​der er kernen i EPR-paradokset, kunne bruges til at forbedre atomsensorer og billeddannelsesmetoder for elektromagnetiske felter. Udviklingen af ​​kvantesensorer af denne art er et mål for National Center of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), hvor forskerholdet er aktivt involveret.