Mehr Dinge zwischen Himmel und Erde

H. A. Kramers, Helge Holst, F. Arndt

Ernst Peter Fischer

Nick Herbert

Eine Gravitationswelle ist ein Gekräusel in der Krümmung von Raum und Zeit. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie sagt vorher, daß überall, wo große Massen beschleunigt werden — wie zum Beispiel in einem Doppelsternsystem — Gravitationswellen entstehen müßten. Wenn Einstein recht hat, so laufen jeden Tag Gravitationswellen aus allen Teilen des Himmels durch die Erde hindurch.

Ernst Peter Fischer

Arthur Stanley Eddington

Wir haben gesehen, daß jedes Wissen von physikalischen Dingen ein mittelbar gefolgertes ist. Die Außenwelt der Physik ist ein mit Folgerungen erfülltes Weltall. Dinge, mit denen wir täglich umgehen, sind genau so gefolgert, wie ein ferner Stern, auf dessen Dasein wir aus einem Bilde auf einer photographischen Platte schließen, oder ein „unentdeckter“ Planet, auf dessen Dasein aus Unregelmäßigkeiten in der Bewegung des Uranus geschlossen wird. In diesem Weltall der Folgerungen treten Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft ganz unterschiedslos auf, und es bedarf der wissenschaftlichen Analyse, um sie auseinanderzuhalten. Aus einer bestimmten Folgerungsvorschrift, nämlich dem Gravitationsgesetz, schließen wir auf das gegenwärtige oder frühere Dasein eines unsichtbaren Begleiters eines Sterns. Durch eine Anwendung der gleichen Vorschrift schließen wir auf die Existenz einer gegenseitigen Stellung von Erde, Sonne und Mond am 11. August 1999, die einer totalen Sonnenfinsternis entspricht. Wir haben keinen triftigen Grund, der auf die Gegenwart bezüglichen Folgerung mehr zu vertrauen, als der auf die Zukunft bezüglichen Folgerung. Tatsächlich wäre man im allgemeinen geneigt, die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers bei der Finsternis für die kleinere zu halten.

Thomas Scheidl

Diese Arbeit beschreibt zwei Experimente, die auf Korrelationsmessungen zwischen verschränkten Photonen basieren. Die Photonen werden dabei zwischen den kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa 144 km räumlich voneinander getrennt. Das erste Experiment trägt zur Diskussion darüber bei, ob quantenmechanische Vorhersagen innerhalb eines lokal-realistischen Rahmens beschrieben werden können. Diese Frage spielt seit der Veröffentlichung des berühmten Einstein-Podolsky-Rosen “Paradoxons” [1] eine fundamentale Rolle in der Begründung der Quantenmechanik. Das beschriebene Experiment ist ein Test der CHSH Form [2] der Bell’schen Ungleichung [3] und schließt gleichzeitig zwei der drei “Schlupflöcher” für lokalen Realismus, die in einem experimentellen Test der Bell’schen Ungleichung auftreten können. Es sind dies das Locality und das Freedom-of-choice Schlupfloch. Letzteres wurde bis heute experimentell nicht adressiert und zu allererst in unserem Experiment durch raumzeitliche Trennung der Wahl der Analysatorstellung und der Photonemission geschlossen. Das dritte Schlupfloch, das Fair-sampling Schlupfloch [4], konnte wegen zu niedriger Detektionseffizienz leider nicht geschlossen werden. Da unser Experiment jedoch das Erste ist, das mehr als ein Schlupfloch gleichzeitig schließt und die CHSH Ungleichung mit mehr als 16 Standardabweichungen durch Sexp = 2.37 ± 0.023 verletzt, repräsentieren unsere Resultate die bis heute schlüssigste Verletzung des lokalen Realismus. Gleichzeitig stellt unser Experiment einen wichtigen Schritt in Richtung eines vollkommen schlupflochfreien Bell Tests dar, eine der bedeutensten ungelösten Herausvorderungen der fundamentalen Physik. Im zweiten Experiment werden die faszinierenden Eigenschaften verschränkter Photonen ausgenutzt, um die verschränkungsbasierte “Verteilung” quantenkryptographischer Schlüssel (quantum key distribution, QKD) zu demonstrieren. Diese technische Anwendung quantenmechanischer Eigenschaften ist wohl eine der ausgereiftesten im Bereich der Quanteninformation und Quantenkommunikation. Für QKD Experimente bei denen man hohen Abschwächungen im Quantenkanal ausgesetzt ist, wie etwa in zukünftigen satellitenbasierten Netzwerken oder Glasfasernetzwerken, ist es wichtig die effizientesten Systeme zu verwenden. Es wurde kürzlich gezeigt [5], dass QKD mit verschränkten Photonen höhere Abschwächungen tolerieren kann als Systeme die auf schwachen Laserpulsen basieren. Das ist vorallem der Fall, wenn die Quelle verschränkter Photonen symmetrisch zwischen den Empfängerstationen, Alice und Bob, liegt. In unserem Experiment untersuchen wir diesen wichtigen Vorteil eines symmetrischen Systems und implementieren drei unterschiedliche experimentelle Aufbauten. Diese benutzen einen 144 km langen optischen Kanal zwischen den kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa und weisen Photonpaar Abschwächungen von 35 dB, 58 dB beziehungsweise 71 dB auf. Dabei wurde die Quelle der verschränkten Photonenpaare entweder direkt bei Alice, asymetrisch zwischen Alice und Bob oder symmetrisch in der mitte zwischen Alice und Bob platziert. Wir zeigen, dass unsere experimentellen Resultate sehr gut mit dem theoretischen Modell übereinstimmen, welches auf eine aktuelle Arbeit [5] bezogen ist, jedoch an unsere experimentellen Parameter angepasst wurde. Verglichen mit dem zu erwartenden Photonenverlust bei der Übertragung von einem Satelliten im “low-earth-orbit” (LEO) zur Erde [6] geben unsere Resultate Grund zur Annahme, dass verschränkungsbasierte QKD Systeme geeignet sind, solche Übertragungen sowohl in einem Einzel- als auch Doppellink Szenario [7] durchzuführen.