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Rydberg-Atome ermöglichen Rekordgröße bei optischer Schrödinger-Katze
Physiker haben mit stark angeregten Atomen einen besonders großen optischen Schrödinger-Katzenzustand erzeugt. Zwei deutlich unterscheidbare Lichtzustände blieben dabei Teil einer kohärenten Quantenüberlagerung und erreichten nach dem verwendeten Größenmaß α² = 2,4 statt zuvor 1,4.
Garching (Deutschland). Schrödingers Katze steht für eine der bekanntesten Eigenheiten der Quantenphysik. Ein Quantensystem kann mehrere eigentlich widersprüchliche Zustände gleichzeitig überlagern, solange ihre feste Phasenbeziehung erhalten bleibt. Je weiter solche Zustände auseinanderliegen, desto empfindlicher reagieren sie jedoch auf Verluste und andere Störungen, die diese quantenmechanische Kohärenz zerstören.
Bei Licht lassen sich Katzenzustände aus zwei kohärenten Zuständen aufbauen, deren elektromagnetische Wellen unterschiedliche Phasen besitzen. Besonders interessant sind hybride Zustände, bei denen diese Überlagerung zusätzlich mit einem einzelnen Quantenbit verschränkt ist. Größere Abstände zwischen den beiden Lichtzuständen machen die Katze anschaulich gesprochen größer, erschweren aber zugleich ihre Erzeugung und Erhaltung.
Ein Team am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) hat dafür einen optischen Resonator mit einem Atomensemble kombiniert. Das Kontrollphoton wurde abhängig von seiner Polarisation entweder als Rydberg-Anregung im Ensemble gespeichert oder auf einem zweiten Weg am Resonator vorbeigeführt. Rydberg-Zustände sind stark angeregte Atomzustände mit besonders ausgeprägten Wechselwirkungen, durch die eine vorhandene Anregung weitere Rydberg-Anregungen in ihrer Umgebung blockieren kann.
Anschließend schickten die Forscher einen zweiten Lichtpuls in den Resonator, der je nach gespeicherter Rydberg-Anregung bei der Reflexion eine andere Phase erhielt. Dadurch entstand ein hybrider verschränkter Zustand, in dem zwei kohärente Zustände des Ziellichts mit den beiden Polarisationen des Kontrollphotons gekoppelt waren.
Wie weit die beiden kohärenten Lichtzustände im Phasenraum auseinanderliegen, fasst die Studie mit der Größe α² zusammen. Für vergleichbare hybride optische Katzenzustände lag der bisherige experimentelle Höchstwert bei 1,4, während das Team mit dem Rydberg-Resonator nun α² = 2,4 erreichte. Nach Einordnung der Autoren ist dies der bislang größte hybride optische Katzenzustand dieser Art.
Entscheidend ist, dass die größere Trennung nicht nur zwei klassisch verschiedene Lichtzustände erzeugt, sondern die quantenmechanische Verbindung zwischen ihnen erhalten bleibt. Die Forscher rekonstruierten deshalb die Quantenzustände für sechs verschiedene Größen und untersuchten mehrere Kennwerte der Kohärenz, Verschränkung und Nichtklassizität. Bei den durch Messung des Kontrollphotons gewonnenen ungeraden Katzenzuständen zeigte die Wigner-Funktion in allen sechs Fällen negative Bereiche, ein eindeutiges Kennzeichen nichtklassischen Lichts.
Auch der hybride Zustand blieb bei der größten Katze verschränkt. Die verlustkorrigierte Bell-Zustands-Treue lag bei α² = 2,4 noch bei 51,2 ± 0,4 Prozent und damit knapp über der in der Studie verwendeten 50-Prozent-Schwelle für einen Verschränkungsnachweis. Eine zweite Kenngröße, die sogenannte Negativität, blieb ebenfalls größer als null und bestätigte damit die Verschränkung.
Die wichtigste Begrenzung entsteht nach der Analyse des Teams durch den Verlust von Zielphotonen während der Erzeugung. Hinzu kommen eine unvollständige Rydberg-Blockade, eine Verbreiterung durch die endliche Wechselwirkungszeit, Selbstblockade des Ziellichts und Phasenrauschen der Laser, die die Kohärenz bei größeren Zuständen zunehmend schwächen.
Nach den Modellrechnungen des Teams ließe sich die Grenze weiter verschieben, etwa durch längere Lichtpulse, einen kleineren Radius des Atomensembles und geringeres Laserrauschen. Ob damit tatsächlich noch größere Katzenzustände entstehen, muss jedoch experimentell gezeigt werden, denn die Arbeit demonstriert diese Verbesserungen bislang nicht. Der neue Aufbau