Fysiker från universitetet i Basel har för första gången observerat den kvantmekaniska Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen i ett system med flera hundra interagerande atomer. Fenomenet går tillbaka till ett berömt tankeexperiment från 1935. Det gör att mätresultaten kan förutsägas exakt och skulle kunna användas i nya typer av sensorer och avbildningsmetoder för elektromagnetiska fält. Resultaten publicerades nyligen i tidskriften Vetenskap .

Hur exakt kan vi förutsäga resultaten av mätningar på ett fysiskt system? I en värld av små partiklar, som styrs av kvantfysikens lagar, det finns en grundläggande gräns för precisionen i sådana förutsägelser. Denna gräns uttrycks av Heisenbergs osäkerhetsprincip, som säger att det är omöjligt att samtidigt förutsäga mätningarna av en partikels position och rörelsemängd, eller av två komponenter i ett snurr, med godtycklig precision.

En paradoxal minskning av osäkerheten

1935, dock, Albert Einstein, Boris Podolsky, och Nathan Rosen publicerade en berömd artikel där de visade att exakta förutsägelser är teoretiskt möjliga under vissa omständigheter. Att göra så, de ansåg två system, A och B, i vad som kallas ett "trasslat" tillstånd, där deras egenskaper är starkt korrelerade.

I detta fall, resultaten av mätningar på system A kan användas för att förutsäga resultaten av motsvarande mätningar på system B med godtycklig precision. Detta är möjligt även om system A och B är rumsligt åtskilda. Paradoxen är att en observatör kan använda mätningar på system A för att göra mer exakta uttalanden om system B än en observatör som har direkt tillgång till system B (men inte till A).

Första observationen i ett system med många partiklar

Förr, experiment har använt ljus eller enskilda atomer för att studera EPR-paradoxen, som tar sina initialer från forskarna som upptäckte den. Nu, ett team av fysiker ledda av professor Philipp Treutlein vid institutionen för fysik vid universitetet i Basel och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet (SNI) har framgångsrikt observerat EPR-paradoxen med hjälp av ett mångapartikelsystem med flera hundra interagerande atomer för första gången.

Experimentet använde lasrar för att kyla atomer till bara några miljarddelar av en grad över absoluta nollpunkten. Vid dessa temperaturer, atomerna beter sig helt enligt kvantmekanikens lagar och bildar vad som är känt som ett Bose-Einstein-kondensat – ett materiatillstånd som Einstein förutspådde i en annan banbrytande tidning 1925. I detta ultrakalla moln, atomerna kolliderar ständigt med varandra, får deras snurr att trassla in sig.

Forskarna gjorde sedan mätningar av spinn i rumsligt åtskilda områden av kondensatet. Tack vare högupplöst bildbehandling, de kunde mäta spinkorrelationerna mellan de separata regionerna direkt och, på samma gång, att lokalisera atomerna i exakt definierade positioner. Med sitt experiment, forskarna lyckades använda mätningar i en viss region för att förutsäga resultaten för en annan region.

"Resultaten av mätningarna i de två regionerna var så starkt korrelerade att de tillät oss att demonstrera EPR-paradoxen, säger doktoranden Matteo Fadel, huvudförfattare till studien. "Det är fascinerande att observera ett sådant grundläggande fenomen inom kvantfysik i allt större system. Samtidigt, våra experiment etablerar en koppling mellan två av Einsteins viktigaste verk."

På vägen mot kvantteknik

Förutom sin grundforskning, forskarna spekulerar redan om möjliga tillämpningar för deras upptäckt. Till exempel, de korrelationer som är kärnan i EPR-paradoxen skulle kunna användas för att förbättra atomsensorer och avbildningsmetoder för elektromagnetiska fält. Utvecklingen av kvantsensorer av detta slag är ett mål för National Centre of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), där forskargruppen är aktivt involverad.