Violation of Bell-type Inequality in the Hanbury Brown-Twiss (HBT) Toy-Model: Quantum Correlations beyond Local-Realism

Licht wurde lange Zeit als eine Welle verstanden, die sich wie eine Störung in einem Teich durch den Raum ausbreitet. Jahrzehntelang beschrieben Wissenschaftler sein Verhalten mit den vertrauten Gesetzen der klassischen Physik und behandelten es als ein kontinuierliches elektromagnetisches Feld. In der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts trat jedoch eine tiefere Ebene der Realität zutage, als Forscher erkannten, dass Licht sich auch als ein Strom diskreter Teilchen, genannt Photonen, verhält. Diese Dualität gab den Anstoß für das Feld der Quantenoptik, das untersucht, wie Licht auf der fundamentalsten Ebene mit Materie interagiert. Eines der berühmtesten Experimente auf diesem Gebiet ist der Hanbury-Brown-und-Twiss-Effekt, eine Technik, die ursprünglich zur Messung der Größe ferner Sterne entwickelt wurde. Indem man zwei Detektoren weit voneinander entfernt platzierte und maß, wie die Helligkeit des Sternenlichts im Gleichklang fluktuierte, entdeckten Astronomen, dass Licht eine statistische Persönlichkeit besitzt, die die klassische Physik nicht vollständig erklären konnte. Dieser Effekt enthüllte, dass Photonen in Gruppen eintreffen oder einander meiden können – Verhaltensweisen, die auf eine tiefere, seltsamere Verbindung zwischen Teilchen hindeuten. Heute bleibt die Frage: Können diese optischen Aufbauten eine noch tiefgründigere Art der Verbindung offenbaren, die als Nichtlokalität bekannt ist, bei der Teilchen einander augenblicklich über den Raum hinweg beeinflussen und so die Vorstellung widerlegen, dass alles durch lokale, verborgene Ursachen erklärt werden muss?

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher des Indian Institute of Science Education and Research Mohali diese Frage mithilfe einer vereinfachten Version des berühmten Sternmess-Experiments. Der ursprüngliche Aufbau für den Hanbury-Brown-und-Twiss-Effekt ist komplex und umfasst acht verschiedene Pfade, die das Licht nehmen kann, während es von zwei Quellen zu zwei Detektoren reist. Um die Mathematik handhabbar zu machen, ohne die wesentliche Physik zu verlieren, konstruierte das Team ein gestrafftes Modell, das nur vier Pfade nutzt. Sie stellten sich zwei Lichtquellen vor, von denen jede einen speziellen Quantenzustand aussendet, der als zweimodiger gepresster Vakuumzustand (two-mode squeezed vacuum) bekannt ist. Dies sind keine gewöhnlichen Lichtzustände; es sind sorgfältig präparierte Quantenressourcen, bei denen die Eigenschaften des Lichts so miteinander verknüpft sind, dass die klassische Physik dies nicht replizieren kann. Die Forscher leiteten diese Strahlen durch eine Serie von Spiegeln, Strahlteilern und Polarisatoren, wodurch sie die Reise des Lichts im ursprünglichen Experiment nachahmten, jedoch innerhalb eines kontrollierten, theoretischen Rahmens. Das Ziel war zu sehen, ob die Korrelationen zwischen dem an den beiden Detektoren ankommenden Licht eine spezifische mathematische Regel durchbrechen können, die als Bellsche Ungleichung bekannt ist. Diese Regel fungiert als Grenzlinie: Wenn die Messungen innerhalb der Linie bleiben, könnten die Ergebnisse durch eine klassische Welt erklärt werden, in der alles durch lokale, verborgene Faktoren bestimmt ist. Wenn die Messungen die Linie überschreiten, beweist dies, dass das Licht echte Quanten-Nichtlokalität aufweist.

Das Team stellte fest, dass ihr vereinfachtes Modell diese Grenze tatsächlich überschritt. Als sie die Daten analysierten, die ihr Vier-Moden-System generierte, verletzten die Korrelationen zwischen den Detektoren die Ungleichung, was bewies, dass sich das Licht auf eine Weise verhielt, die keine klassische Beschreibung erklären konnte. Diese Verletzung trat spezifisch auf, wenn die Lichtquellen in einem gepressten Zustand (squeezed state) vorbereitet wurden – einem Zustand, in dem die Unsicherheit in den Eigenschaften des Lichts unter das Standard-Quantenniveau reduziert ist. Die Forscher beobachteten, dass der Effekt am stärksten war, wenn beide Quellen auf die gleiche Weise gepresst wurden, entdeckten aber auch etwas Überraschendes: Selbst wenn eine Quelle gepresst war und die andere einen standardmäßigen, klassisch wirkenden Zustand beibehielt, erzeugte das System dennoch eine Verletzung. Dies deutet darauf hin, dass die optischen Komponenten im Aufbau, die wie ein Mischer wirken, in der Lage waren, die beiden separaten Strahlen zu verschränken und sie in einen einzigen, nicht-lokalen Quantenzustand zu verweben. Die Studie untersuchte auch, was passiert, wenn das Licht nicht perfekt rein ist, sondern eine gewisse thermische Rauschkomponente aufweist, was eine wärmere Umgebung simuliert. Sie fanden heraus, dass die nicht-lokale Verbindung selbst bei endlichen Temperaturen bestehen blieb, wenngleich die Stärke der Verletzung mit steigender Temperatur allmählich abnahm.

Diese Ergebnisse bestätigen, dass der Hanbury-Brown-und-Twiss-Aufbau nicht nur ein Werkzeug zur Messung von Sternengrößen oder zum Zählen von Photonen ist, sondern eine leistungsstarke Plattform zur Erforschung der Fundamente der Realität selbst. Indem sie das Experiment auf seine wesentlichen Bestandteile reduzierten, zeigten die Forscher, dass die seltsamen, nicht-lokalen Merkmale der Quantenmechanik robust genug sind, um in einer vereinfachten optischen Anordnung zu überdauern. Die Arbeit verdeutlicht, dass die Grenze zwischen der klassischen Welt, die wir sehen, und der Quantenwelt, die ihr zugrunde liegt, keine starre Wand ist, sondern eine durchlässige Linie, die mit der richtigen Art von Licht überquert werden kann. Obgleich die Studie auf theoretischen Berechnungen statt auf einem physischen Laboraufbau basierte, bietet die mathematische Strenge des Modells eine klare Roadmap für zukünftige Untersuchungen. Sie legt nahe, dass selbst in einem System mit nur vier Lichtpfaden das Universum seine kontraintuitivsten Geheimnisse offenbaren kann und beweist, dass die Quantennatur des Lichts keine fragile Kuriosität ist, sondern ein fundamentales Merkmal der Funktionsweise der Welt.