Quantens Verhalten von Neutronen durch Leggett-Garg-Ungleichungen herausgefordert

Im Bereich der Quantenphysik ist eine der grossen Fragen, ob ein Quantenobjekt, wie ein Neutron, einen bestimmten Zustand hat, bevor es gemessen wird. Diese Idee hat seit dem Beginn der Quantenmechanik vor über einem Jahrhundert viel Diskussion ausgelöst. Eine Möglichkeit, wie Wissenschaftler diese Ideen testen, sind die sogenannten Leggett-Garg-Ungleichungen (LGIs). Diese Ungleichungen helfen dabei, zu beurteilen, wie die Messungen eines einzelnen Systems zu verschiedenen Zeitpunkten mit den Prinzipien des Realismus zusammenhängen – der Vorstellung, dass Objekte bestimmte Eigenschaften unabhängig von Beobachtungen haben.

#Was sind die Leggett-Garg-Ungleichungen?

Die Leggett-Garg-Ungleichungen wurden in den 1980er Jahren eingeführt, um zu untersuchen, ob Messungen, die zu verschiedenen Zeiten an einem einzelnen Quantensystem vorgenommen werden, in ein realistisches Weltbild passen. Im Wesentlichen folgen diese Ungleichungen zwei Hauptideen:

1. Zu jedem Zeitpunkt existiert ein Quantensystem in einem seiner klaren Zustände.
2. Man kann den Zustand des Systems herausfinden, ohne seine zukünftige Entwicklung zu beeinflussen.

Die Quantenmechanik sagt voraus, dass diese Ungleichungen verletzt werden können. Das bedeutet, dass die Ergebnisse von Messungen Verhaltensweisen zeigen können, die nicht mit klassischen Ansichten oder makro-realistischen Theorien vereinbar sind.

#Die Bedeutung der Verletzung von LGIs

Wenn LGIs verletzt werden, zeigt das, dass das System sich anders verhält, als man erwarten würde, wenn man annimmt, dass das System vor der Messung einen festen Zustand hatte. Diese Verletzung ist fundamental mit dem Konzept der Kohärenz in der Quantenmechanik verbunden. Kohärenz bezieht sich auf die Fähigkeit eines Quantensystems, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren, bis es beobachtet wird.

Wenn es den Wissenschaftlern gelingt, diese Ungleichungen zu verletzen, bedeutet das, dass das Quantensystem quantenmechanisches Verhalten zeigt. Das ist nicht nur aus theoretischen Gründen wichtig, sondern hat auch praktische Anwendungen, wie die Entwicklung neuer Technologien in der Quantencomputing und sicheren Kommunikation.

#Jüngste Experimente mit Neutronen

In den letzten Jahren wurden mehrere Experimente durchgeführt, um die Leggett-Garg-Ungleichungen mit verschiedenen Systemen zu testen, darunter Photonen, nukleare Spins und supraleitende Qubits. Jedes dieser Systeme zeigte unter verschiedenen Bedingungen Verletzungen der Ungleichungen.

Ein faszinierendes Experiment betraf Neutronen. Neutronen sind neutrale Teilchen, die ebenfalls quantenmechanische Eigenschaften zeigen können. Das Ziel war es, ein spezifisches Messsystem – ein Interferometer – einzurichten, in dem Neutronen auf Verletzungen der LGI getestet werden konnten.

#Das Neutroneninterferometer-Experiment

In diesem Aufbau wird ein Neutronenstrahl durch ein Interferometer geleitet, das dafür entwickelt wurde, die Neutronenwege zu spalten und dann wieder zusammenzuführen. Diese Methode ermöglicht es Physikern, Messungen vorzunehmen, ohne das System erheblich zu stören. Die in diesem Experiment durchgeführten Messungen folgten dem LGI-Protokoll, das die Bewertung der Korrelation der Ergebnisse aus verschiedenen Messungen umfasst.

#Aufbau des Experiments

Im Neutroneninterferometer gelangen unpolarisierte Neutronen hinein und werden in zwei Wege gesplittet. Detektoren sind an wichtigen Punkten positioniert, um zu erfassen, ob ein Neutron detektiert wird oder nicht. Das Experiment kontrollierte die Bedingungen sorgfältig, um zwei distincte Wege zu schaffen, wodurch die Forscher das Verhalten der Neutronen über die Zeit verfolgen konnten.

Der erste Teil des Experiments beinhaltete Standardmessungen, bei denen das Verhalten der Neutronen aufgezeichnet wurde. Danach führten die Forscher leichte Modifikationen ein, wie das Hinzufügen eines Indiumabsorbers in einen der Wege, um die Wahrscheinlichkeiten der Messungen zu ändern. Diese Anpassung sollte die Chancen erhöhen, die LGI zu verletzen.

#Messmethoden

Im Experiment wurden zwei Hauptarten von Messungen eingesetzt:

1. Standardinterferogramme: Diese Methode beinhaltete die Messung der Interferenzmuster, die entstanden, als die Neutronen verschiedene Wege durch das Interferometer nahmen. Durch die Analyse der aufgezeichneten Zähler konnte das Team Informationen über die Korrelationen zwischen den Messungen ableiten.

2. Nicht-invasive Messungen: Bei diesem Ansatz konzentrierten sich die Forscher darauf, die Abwesenheit von Neutronen in bestimmten Wegen aufgrund von Blockierern zu messen. Indem sie sicherstellten, dass sie die zu messenden Wege nicht störten, konnten sie Daten sammeln, ohne das zukünftige Verhalten des Systems zu beeinflussen.

#Ergebnisse des Experiments

Das Experiment offenbarte eine signifikante Verletzung der Leggett-Garg-Ungleichung. Die Ergebnisse zeigten eine klare Abweichung von den erwarteten Grenzen, die durch makro-realistische Theorien festgelegt wurden. Insbesondere wurde eine bemerkenswerte Verletzung beobachtet, die zeigte, dass sich die Neutronen auf eine Weise verhielten, die mit der Quantenmechanik übereinstimmte.

Dieses Ergebnis war besonders überzeugend, weil es bestätigte, dass die Wege der Neutronen vor der Messung nicht definiert werden konnten. Stattdessen wurden ihre tatsächlichen Wege und Zustände erst bekannt, als die Messungen durchgeführt wurden.

#Implikationen der Ergebnisse

Die Implikationen dieser Forschung gehen über blosses theoretisches Interesse hinaus. Indem gezeigt wird, dass Neutronen quantenmechanisches Verhalten aufweisen können, eröffnen sich potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Dazu gehören Fortschritte im Quantencomputing, wo das Verständnis von Quanten Zuständen entscheidend ist, und in sicheren Kommunikationssystemen, die auf quantenmechanischen Eigenschaften basieren.

Darüber hinaus hebt das Experiment hervor, wie praktische Setups wie Neutroneninterferometer effektiv grundlegende Konzepte der Quantenmechanik erkunden können. Die in solchen Experimenten entwickelten Techniken könnten möglicherweise auf andere Quantenpartikel angewendet werden und unser Verständnis der Quantenwelt erweitern.

#Fazit

Zusammenfassend liefert die Verletzung der Leggett-Garg-Ungleichungen durch Neutronenexperimente bedeutende Einblicke in die komplexe Natur der Quantenmessung. Diese Ergebnisse bestärken die Vorstellung, dass Quantensysteme nicht den klassischen deterministischen Regeln folgen. Stattdessen zeigen sie ein Verhalten, das mit der Quantenmechanik übereinstimmt und unser Verständnis der Realität auf mikroskopischer Ebene grundlegend herausfordert.

Während die Forschung weiterhin voranschreitet, wird das Wissen, das aus Experimenten wie diesen gewonnen wird, zur wachsenden Branche der Quantentechnologien beitragen und Fortschritte vorantreiben, die unsere Zukunft neu gestalten könnten.