Ein Forscherteam um Philipp Walther von der Universität Wien führte ein bahnbrechendes Experiment durch, bei dem sie die Auswirkung der Erdrotation auf quantenverschränkte Photonen maßen. die Arbeit, veröffentlicht In Fortschritt der WissenschaftEs stellt einen bedeutenden Durchbruch dar, der die Grenzen der Spinempfindlichkeit in verschränkungsbasierten Sensoren verschiebt und den Weg für weitere Erforschung der Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie ebnet.

Optische Interferometer von Sagnac gehören zu den rotationsempfindlichsten. Sie ist seit den frühen Jahren des letzten Jahrhunderts von zentraler Bedeutung für unser Verständnis der Grundlagenphysik und trug zur Etablierung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie bei. Seine beispiellose Genauigkeit macht es heute zum idealen Werkzeug zur Messung von Rotationsgeschwindigkeiten, die nur durch die Grenzen der klassischen Physik begrenzt sind.

Interferometer, die Quantenverschränkung nutzen, haben das Potenzial, diese Grenzen zu durchbrechen. Wenn zwei oder mehr Teilchen miteinander verschränkt sind, ist nur der Aggregatzustand bekannt, während der Zustand des einzelnen Teilchens bis zur Messung unbestimmt bleibt. Dadurch können für jede Messung mehr Informationen gewonnen werden, als ohne sie möglich wären. Der versprochene Quantensprung in der Empfindlichkeit wurde jedoch durch die äußerst präzise Natur der Verschränkung behindert. Hier machte das Wien-Erlebnis den Unterschied.

Die Forscher bauten ein riesiges Sagnac-Glasfaserinterferometer und hielten das Rauschen mehrere Stunden lang niedrig und stabil. Dadurch konnten genügend qualitativ hochwertige verschränkte Photonenpaare nachgewiesen werden, um die Spinauflösung früherer quantenphotonischer Sagnac-Interferometer um das Tausendfache zu übertreffen.

In einem Sagnac-Interferometer bewegen sich zwei Teilchen in entgegengesetzten Richtungen einer geschlossenen, rotierenden Bahn und erreichen den Startpunkt zu unterschiedlichen Zeiten. Bei zwei verschränkten Teilchen wird es beängstigend: Sie verhalten sich wie ein einzelnes Teilchen, das beide Richtungen gleichzeitig erfährt, und akkumulieren dabei die doppelte Verzögerung im Vergleich zu einem Szenario ohne Verschränkung.

Diese einzigartige Eigenschaft wird als Ultrapräzision bezeichnet. Im eigentlichen Experiment breiteten sich zwei verschränkte Photonen innerhalb einer zwei Kilometer langen optischen Faser aus, die in eine riesige Spule gewickelt war, wodurch ein Interferometer mit einer effektiven Fläche von mehr als 700 Quadratmetern entstand.

Eine der großen Hürden für die Forscher bestand darin, das feste Rotationssignal der Erde zu isolieren und zu extrahieren. „Der Knackpunkt besteht darin, einen Referenzpunkt für unsere Messungen zu schaffen, an dem das Licht vom Einfluss der Erdrotation unbeeinflusst bleibt. Da wir die Erdrotation nicht stoppen können, haben wir uns eine alternative Lösung ausgedacht: die Aufteilung der optischen Faser in zwei Spulen.“ gleicher Länge herzustellen und „über einen optischen Schalter zu verbinden“, erklärt der Hauptautor Rafael Silvestri.

Durch das Ein- und Ausschalten des Schalters konnten die Forscher das Rotationssignal nach Belieben effektiv unterdrücken und so die Stabilität ihres größeren Geräts erhöhen. „Wir haben dem Licht im Grunde genommen vorgegaukelt, dass es in einem nicht rotierenden Universum existiert“, sagt Silvestri.

Dem Experiment, das im Rahmen des TURIS-Forschungsnetzwerks der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurde, gelang es, die Auswirkung der Erdrotation auf den maximal verschränkten Photonenzustand zu beobachten. Dies bestätigt die Wechselwirkung zwischen rotierenden Referenzsystemen und Quantenverschränkung, wie sie in Einsteins spezieller Relativitätstheorie und Quantenmechanik beschrieben wird, mit einer um das Tausendfache verbesserten Genauigkeit im Vergleich zu früheren Experimenten.

„Dies stellt ein bedeutendes Ereignis in einem Jahrhundert seit der ersten Beobachtung der Erdrotation mit Licht dar, bei dem die Verschränkung einzelner Lichtquanten endlich in die gleichen Sensorsysteme gelangte“, sagt Haokun Yu, der als Marie-Curie-Wissenschaftler an dem Experiment arbeitete . Postdoktorand.

Philip Walther fügt hinzu: „Ich glaube, dass unsere Ergebnisse und unsere Methodik den Weg für weitere Verbesserungen der Spinempfindlichkeit verschränkungsbasierter Sensoren ebnen werden. Dies könnte den Weg für zukünftige Experimente ebnen, die das Verhalten der Quantenverschränkung anhand von Raum-Zeit-Kurven testen.“