Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nichtlokale Korrelationen in natürlichen Systemen

12.04.2017

Nichtlokale Korrelationen sind ein Quantenphänomen, das eine noch stärkere Form von Wechselbeziehung darstellt als Quantenverschränkung.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, dem Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona, der Universität Innsbruck und dem Center for Theoretical Physics der polnischen Akademie der Wissenschaften haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der sie zeigen können, dass niedrige Energiezustände von Systemen aus mit einem Spin charakterisierten Teilchen wie zum Beispiel Elektronen diese nichtlokalen Korrelationen aufweisen können.


(aus der Originalveröffentlichung): Bereiche, die sich jeweils in ihrem Verhalten von dem klassischen System unterscheiden, für einen XXZ-artigen Hamilton-Operator mit zwei Parametern.

Grafik: MPQ, Abteilung Theorie

Klassische Korrelationen sind Teil unserer Alltagserfahrung. Wenn zum Beispiel jemand ein Paar Socken immer der gleichen Form und Farbe anzieht, kann darüber auch die Form und Farbe des zweiten Sockens bestimmt werden. Zudem können die Form und Farbe eines Sockens gleichzeitig beobachten werden, und dies verrät auch die Form und Farbe des anderen Sockens.

Verschränkte Zustände, die typische Form von Quantenkorrelationen, trotzen diesem Grundprinzip: Wenn die Socken verschränkt wären, könnten wir durch die Beobachtung der Farbe eines Sockens jene des anderen Sockens vorhersagen.

Wenn wir aber gleichzeitig auch dessen Form feststellen, würde das die Farbe „stören“ und damit wäre es vollkommen unmöglich, die Farbe des anderen Sockens vorherzusagen. Diese sonderbare „Koordination“ zwischen Teilchen ist als Quantenverschränkung bekannt und ist eines der wesentlichen Merkmale der Quantenwelt.

Einige verschränkte Zustände zeigen eine noch sonderbarere Form von Korrelationen, nämlich nichtlokale Korrelationen. Diese verletzen zwei scheinbar vernünftige Prinzipien: Erstens, dass die Eigenschaften von Objekten (wie Form oder Farbe) unabhängig von unserem Wissen über sie existieren, und zweitens, dass sich Informationen nicht instantan verbreiten können.

Diese faszinierende Form der nichtlokalen Korrelationen ist in Vielteilchensystemen nur sehr schwer zu charakterisieren. Dafür gibt es mindestens drei Gründe: Erstens ist das Studium der klassischen Korrelationen mathematisch sehr komplex; zweitens sind Quantenvielteilchensysteme aufgrund ihres exponentiellen Charakters sehr schwer zu beschreiben; und drittens sind die derzeit verfügbaren experimentellen Techniken eher begrenzt, was die Möglichkeit von Messungen im Labor sehr einschränkt. Um die Rolle von nichtlokalen Korrelationen in Quantenvielteilchensystemen zu erforschen, müssen diese drei Probleme gleichzeitig in Angriff genommen werden.

In einer nun in der Fachzeitschrift Physical Review X 7, 021005 (10. April 2017) veröffentlichten Arbeit hat ein internationales Team von Wissenschaftlern in München, Barcelona, Innsbruck und Warschau einen neuen, einfachen Test auf die Existenz nichtlokaler Korrelationen in Quantenvielteilchensystemen präsentiert.

Die Methode ermöglicht den Forschern zu ermitteln, ob nichtlokale Korrelationen in natürlichen Systemen auftreten. Genauer gesagt, untersuchten sie dazu die Grundzustände von Systemen aus Teilchen mit Spin-Freiheitsgraden, wie etwa Elektronen, in einer räumlichen Dimension. Durch Kombination von numerischen und analytischen Ergebnissen fanden sie heraus, dass einige dieser Systeme, die von Physikern seit mehreren Jahrzehnten erforscht werden, einen Zustand minimaler Energie (im Idealfall der Grundzustand) haben, der nichtlokale Korrelationen aufweisen kann.

„Diese Forschung wirft neues Licht auf ein faszinierendes Problem in der Physik und wird hoffentlich die weitere Entwicklung unseres Verständnisses von Nichtlokalität in Quantenvielteilchensystemen anspornen“, sagen Jordi Tura vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Gemma De las Cuevas vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck.

Originalveröffentlichung:
J. Tura, G. De las Cuevas, R. Augusiak, M. Lewenstein, A. Acín, and J. I. Cirac
Energy as a detector of nonlocality of many-body spin systems
PhysRev X 7, 021005 – Published 10 April 2017

Kontakt:

Dr. Jordi Tura i Brugués
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -346
E-Mail: jordi.tura@mpq.mpg.de

Dr. Gemma de las Cuevas
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507 52247
E-Mail: Gemma.DelasCuevas@uibk.ac.at

Prof. Dr. J. Ignacio Cirac
Honorarprofessor TU München und
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 - 705
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse-und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kleinste Teilchen aus fernen Galaxien!
22.09.2017 | Bergische Universität Wuppertal

nachricht Tanzende Elektronen verlieren das Rennen
22.09.2017 | Universität Bielefeld

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie