De toestand van een systeem wordt gekenmerkt als verstrengeld of kwantumgecorreleerd als twee of meer deeltjes niet kunnen worden beschreven als een combinatie van afzonderlijke, onafhankelijke staten, maar alleen als geheel. Onderzoekers van het Kirchhoff Institute for Physics van de Universiteit van Heidelberg zijn er onlangs in geslaagd om zogenaamde niet-lokale kwantumcorrelaties tussen ultrakoude wolken rubidiumatomen te verifiëren. Onder leiding van Prof. Dr. Markus Oberthaler en Prof. Dr. Thomas Gasenzer, de onderzoekers konden belangrijke nieuwe inzichten verwerven in het karakter van kwantummechanische veellichamensystemen.

De correlaties die de theorie van de kwantummechanica voorspelt, zijn contra-intuïtief. Deze kwantumcorrelaties lijken het onzekerheidsprincipe van Heisenberg tegen te spreken, waarin staat dat twee eigenschappen van een object, zoals positie en snelheid, kan nooit tegelijkertijd precies worden bepaald. In kwantummechanische systemen, echter, twee deeltjes kunnen worden geprepareerd om de positie van deeltje twee nauwkeurig te voorspellen door de positie van deeltje één te lokaliseren. evenzo, het meten van de snelheid van het ene deeltje maakt het mogelijk om de snelheid van het andere deeltje te voorspellen. "In dit geval, de positie en snelheid van deeltje twee moeten voorafgaand aan de meting nauwkeurig worden bepaald, " zegt prof. Oberthaler. "Het meetresultaat voor deeltje één kan niet onmiddellijk aanwezig zijn op de positie van deeltje twee als de twee ruimtelijk gescheiden zijn."

Het onzekerheidsprincipe ondersteunt deze gelijktijdige bepaling van positie en snelheid eigenlijk niet. Maar in de kwantummechanica, twee objecten worden niet als gescheiden beschouwd als ze gecorreleerd zijn, d.w.z., verstrikt, vandaar het oplossen van de schijnbare tegenstrijdigheid. "Als we kunnen bewijzen dat meetresultaten van verschillende waarneembare objecten in één systeem daadwerkelijk kunnen worden voorspeld door een tweede te meten, systeem op afstand, dan kunnen we dit bewijs ook gebruiken om verstrengeling te onderbouwen - en dat is precies wat we deden in ons experiment, " zegt Philipp Kunkel, de hoofdauteur van het onderzoek.

In hun experiment hebben de onderzoekers gebruikten een wolk van ongeveer 11, 000 rubidium-atomen, die ze afkoelden tot extreem lage temperaturen. Met behulp van laserlicht, ze hielden de atomen gesuspendeerd in een vacuümkamer, waardoor ze eventuele storende effecten konden uitsluiten, zoals botsingen met luchtmoleculen. Omdat kwantumeffecten alleen bij zeer lage temperaturen waarneembaar zijn, werken met ultrakoude atomen is vereist. Zoals bij het meten van positie en snelheid, deze extreme omstandigheden maken de interne toestand van de deeltjes mogelijk, vaak spin genoemd, ook te meten. "Door de spin in de ene helft van de wolk te meten, we waren in staat om de spin in de andere nauwkeuriger te voorspellen dan het lokale onzekerheidsprincipe zou toestaan, ", legt Philipp Kunkel uit.

De karakterisering van kwantummechanische veellichamensystemen is belangrijk voor toekomstige toepassingen zoals kwantumcomputers en kwantumcommunicatie, onder andere. De meest recente onderzoeksresultaten van Heidelberg zijn gepubliceerd in: Wetenschap .