Das Photon könnte das bekannteste Elementarteilchen sein. Mit Lichtgeschwindigkeit bombardieren uns die Teilchen täglich von Sonne, Mond und Sternen. Seit mehr als einem Jahrhundert nutzen Wissenschaftler und Ingenieure sie zusammen, um unsere Städte und jetzt unsere Bildschirme zu beleuchten.

Forscher können heute Photonen mit mehr Finesse steuern als je zuvor. Am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Maryland erzeugt und manipuliert die Physikerin Paulina Kuo Photonen individuell., Durch die Beleuchtung von maßgeschneiderten Kristallen mit Laserlicht in ihrem Labor produziert Kuo Doppelphotonen, die sie weiter in einzelne Photonen trennen kann. Indem sie sie auf bestimmte Materialien richtet, die das Teilchen absorbieren, um Photonen verschiedener Farben zu erzeugen, kann sie die Farbe eines Photons effektiv ändern, während die darin codierten Informationen erhalten bleiben.

Zum Beispiel entwarf sie einen Kristall, um die Frequenz eines Eingangspotons zu verdoppeln und die Umwandlung zwischen rotem und infrarotem Licht zu ermöglichen. „Sie können zwei Photonen miteinander verschmelzen oder ein Photon in zwei Teile teilen“, sagt sie., „Oder sogar Prozesse höherer Ordnung. Sie können drei Photonen zu einem verschmelzen oder ein Photon in drei teilen.“Als Ergänzung zu diesen Techniken verwendet sie hochmoderne Einzelphotonendetektoren aus supraleitenden Drähten, die nicht supraleitend werden, wenn sie ein einzelnes Photon absorbieren. Diese Detektortypen liefern hochgenaue Zählungen und erfassen Photonen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent.

Diese Single-Photon-Technologie wird das Rückgrat eines zukünftigen Quanteninternets bilden, eines vorgeschlagenen globalen Netzwerks von Geräten zur Übertragung von Daten, die in einzelnen Photonen und anderen Quantenteilchen codiert sind., Diese Daten würden in den Quanteneigenschaften eines Teilchens dargestellt, z. B. in der Polarisation eines Photons. Im Gegensatz zu klassischen Daten, die nur als 0 oder 1 dargestellt werden können, nehmen sogenannte Quanteninformationen Werte an, die gewichtete Kombinationen von 0 und 1 sind, was neue, potenziell leistungsfähigere Rechenalgorithmen und neue Verschlüsselungsprotokolle ermöglicht.

Technische Herausforderungen für das Quanteninternet sind im Überfluss vorhanden, z. B. Probleme mit dem Signalverlust, sagt Kuo. Aber Forscher—und ihre Regierungen—haben ehrgeizige Pläne aufgestellt., 2016 startete die Europäische Union eine 1-Milliarden-Euro-Initiative für Quantentechnologien. Im August dieses Jahres gründeten die USA fünf Quantenforschungszentren zur Beschleunigung der Entwicklung der Quantentechnologie mit bis zu 625 Millionen US-Dollar, die in den nächsten fünf Jahren versprochen wurden. Der Physiker Pan Jian-Wei, der 2016 den Start eines chinesischen Quantentechnologiesatelliten im Wert von 100 Millionen US-Dollar und seine nachfolgenden Projekte leitete, hat das Ziel beschrieben, bis 2030 ein globales Quanteninternet aufzubauen.,

Viele Experten haben die gegenwärtige Ära der Single-Photon-Technologie als „zweite Quantenrevolution“ bezeichnet, einen Paradigmenwechsel, bei dem Wissenschaftler nicht nur die kontraintuitiven Prinzipien der Quantenmechanik—Verschränkung, Überlagerung und Welle-Teilchen—Dualität-verstehen, sondern sie in Technologien ausnutzen können. Das Photon ist nicht mehr nur ein Untersuchungsobjekt, sondern ein Werkzeug.

Was ist also ein Photon? Kuo gibt eine kreisförmige Antwort. „Ein Photon ist der Klick, den ein einzelphotonenauflösender Detektor registriert“, sagt sie.

Vage Worte als Kuos wurden verwendet, um das Photon zu beschreiben., Es ist eine Welle und ein Lichtteilchen oder eine Quantisierung des elektromagnetischen Feldes. Oder „Halt die Klappe und berechne“, ein Satz, der jedem bekannt ist, der sich über die Quantenmechanik gewundert hat.

„Sie können in Schwierigkeiten geraten, wenn Sie dem Photon zu viel Realität geben“, sagt der Physiker Alan Migdall von NIST.

„Die Leute streiten sich seit mehr als 100 Jahren darüber“, sagt der Physiker Aephraim Steinberg von der University of Toronto. „Ich glaube nicht, dass wir zu einem Konsens gekommen sind.“

Physiker begannen sich über das Photon zu streiten, sobald sie es entdeckten., Die Wissenschaftler, die sich die Teilchen vorstellten, waren skeptisch, dass sie grundsätzlich in der Natur existierten. Um ansonsten verwirrende experimentelle Daten über die Beziehung der Temperatur eines Objekts zu seiner emittierten Strahlung zu erklären, schlug der deutsche Physiker Max Planck 1900 vor, dass Strahlung in diskreten Größen oder Quanten vorliegt. Das Konzept des Photons wurde geboren. Aber Planck verstand die Tiefe seiner Idee nicht. Später beschrieb er seinen Durchbruch als „Akt der Verzweiflung“ —ein unbegründeter Trick, um die Mathematik zum Laufen zu bringen.,

Auch Albert Einstein widersetzte sich Implikationen der Photonentheorie, die er mitentwickelte. Er störte sich besonders an der Verschränkung, der Idee, dass zwei Teilchen Schicksale miteinander verflochten haben können, selbst wenn sie weit voneinander getrennt sind. Die Theorie implizierte zum Beispiel, dass Sie, wenn Sie die Polarisation eines Photons in einem verschränkten Paar messen würden, sofort auch die Polarisation des anderen kennen würden, selbst wenn die beiden Teilchen an entgegengesetzten Enden des Sonnensystems getrennt worden wären., Verschränkung deutete darauf hin, dass Objekte sich von willkürlich weit weg beeinflussen können, bekannt als Nichtlokalität, die Einstein als „gruselige Aktion aus der Ferne verspottete.“Er bevorzugte eine Realität, in der Objekte in der Nähe sein müssen, um Einfluss aufeinander auszuüben, und glaubte, dass die quantenmechanische Theorie unvollständig sei. „Es gab sicherlich Einstein Verdauungsstörungen“, sagt Migdall.

Jahrzehntelang wurden Argumente über das Photon weitgehend in den Bereich der Gedankenexperimente verbannt, da es technologisch unmöglich war, diese Ideen zu testen., In letzter Zeit ist die Debatte breiter in die Physik-Community gelangt, da Einzelphotonenquellen und Detektoren laut Steinberg besser und zugänglicher werden. „Wir können diese Experimente machen, anstatt sie uns nur vorzustellen, wie Schrödingers Katze“, sagt er.

Zum Beispiel haben Physiker die Existenz der Verschränkung fast bestätigt. Jahrzehntelange Experimente, die als Tests der Ungleichung von Bell bekannt sind, deuten nun stark darauf hin, dass Einstein falsch lag—und dass unser Universum nichtlokal ist.,

Diese Tests basieren auf einem experimentellen Rahmen, der 1964 vom britischen Physiker John Stewart Bell entwickelt wurde. In der theoretischen Arbeit zeigte Bell, dass, wenn Sie Messungen an angeblich verschränkten Teilchen wiederholen, die Statistiken zeigen könnten, ob sich die Photonen wirklich nichtlokal gegenseitig beeinflussen, oder wenn ein unbekannter Mechanismus—allgemein als „lokale versteckte Variable“bekannt—die Illusion einer Aktion aus der Ferne erzeugt. In der Praxis haben die Tests weitgehend die Aufteilung von Paaren verschränkter Photonen entlang zweier verschiedener Pfade zur Messung ihrer Polarisationen an zwei verschiedenen Detektoren beinhaltet.,
Physiker führen seit den 1970er Jahren Bell-Tests durch, wobei alle veröffentlichten Experimente darauf hindeuten, dass Photonen aus der Ferne gruselig wirken können, wie der Physiker David Kaiser vom Massachusetts Institute of Technology erklärt. Trotz einhelliger Ergebnisse waren diese frühen Experimente jedoch nicht schlüssig: Technologieengpässe bedeuteten, dass ihre Experimente unter drei möglichen Designbeschränkungen oder Schlupflöchern litten.

Das erste Schlupfloch, das als Lokalitätsschlupfloch bekannt ist, entsteht dadurch, dass die beiden Polarisationsdetektoren zu nahe beieinander liegen., Theoretisch war es möglich, dass ein Detektor ein Signal direkt vor dem Emittieren der verschränkten Photonen an den anderen Detektor weitergeleitet haben könnte, was das Ergebnis der Messung lokal beeinflusste.

Das zweite Schlupfloch, das sogenannte Fair Sampling Loophole, resultierte aus minderwertigen Single-Photon-Detektoren. Experten argumentierten, dass die Detektoren eine voreingenommene Teilmenge der Photonen erfasst haben könnten, was die Statistiken verzerrt. Der Wunsch, diese Lücke zu schließen, sagt Migdall, hat die Entwicklung besserer Einzelphotonendetektoren vorangetrieben, die jetzt routinemäßig in Quantentechnologien eingesetzt werden.,

Das dritte Schlupfloch, das Freedom-of-Choice-Schlupfloch, bezieht sich auf die Einstellungen des Polarisationsdetektors. Um wirklich unvoreingenommene Statistiken über eine große Anzahl von Polarisationsmessungen zu erhalten, muss die Ausrichtung des Polarisationsdetektors für jede Messung zufällig zurückgesetzt werden. Es ist schwierig, Zufälligkeit zu garantieren, da Forscher die Detektoren in frühen Experimenten mühsam von Hand zurücksetzen.

Jüngste Experimente haben laut Kaiser alle drei Schlupflöcher geschlossen, wenn auch nicht gleichzeitig in einem Test., Im Jahr 2015 führte ein Team unter der Leitung des Physikers Ronald Hanson an der Technischen Universität Delft einen Glockentest durch, der zum ersten Mal die Fair-Sampling-und Locality-Schlupflöcher schloss, wobei verschränkte Elektronen anstelle von Photonen verwendet wurden.

Veröffentlichung Im Jahr 2018 beauftragte ein Team von Wissenschaftlern des Instituts für Photonikwissenschaften in Spanien 100.000 Freiwillige, ein Videospiel zu spielen, um Zufallszahlen zu generieren, mit denen die Wissenschaftler ihre Glockentestdetektoren einstellten, um die Wahlfreiheit einzuschränken Schlupfloch.,

Kaiser arbeitete an einem weiteren Experiment, das 2018 veröffentlicht wurde, dem „Cosmic Bell Test“, der die Lokalitätslücke schloss und die Wahlfreiheit eng einschränkte, indem er ihre Polarisationsdetektororientierung unter Verwendung eines Zufallszahlengenerators festlegte basierend auf der Frequenz des Lichts, das von zwei Sternen 600 bzw.

Die Ergebnisse stützen stark die Nichtlokalität der Verschränkung. „Die Verdauungsstörungen, die Einstein mit der Quantenmechanik hatte—wenn er heute da wäre, würden Sie ihm sagen, dass er sich nur damit befassen müsste“, sagt Migdall.,

Die Physikerin Alexandra Landsman von der Ohio State University beschreibt das Photon als“ ein Quantum Energie“, das eng mit den ursprünglichen Vorstellungen der Physiker des Teilchens übereinstimmt. In einem Papier von 1905 beschrieb Einstein Licht als diskrete Energiepakete proportional zu seiner Frequenz, um den sogenannten photoelektrischen Effekt zu erklären. Wissenschaftler hatten beobachtet, dass Materialien Licht absorbieren, um Elektronen auszustoßen, jedoch nur, wenn die Frequenz des Lichts kürzer als ein Schwellenwert ist., Einsteins Erklärung, für die er 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, trug dazu bei, die Entwicklung der Quantentheorie voranzutreiben.

Die neue Lasertechnologie hat es Forschern ermöglicht, den photoelektrischen Effekt genauer zu untersuchen. Attosekundenlaser, die 2001 erfunden wurden, liefern Lichtimpulse von weniger als einem Quadrillionstel Sekunde Länge, die es Physikern ermöglichen, Quantenskala Aktion wie eine Kamera mit Rekord Verschlusszeit zu beobachten., Insbesondere verwenden Physiker ultraschnelle Laser, um den photoelektrischen Effekt zu messen: Sobald ein Photon auf ein Atom oder Molekül auftrifft, wie lange dauert es, bis das Elektron ausgestoßen wird? „In der Vergangenheit haben die Leute angenommen, dass dieser Prozess sofort stattfindet“, sagt Landsman. „Es gab keine Möglichkeit, diese Frage experimentell anzugehen.“

2010 führte ein Team unter der Leitung des Physikers Ferenc Krausz an der Technischen Universität Wien ein Experiment durch, das zeigte, dass der Elektronenausstoß aus einem Atom Zeit braucht., Obwohl sie nicht die absolute Zeit gemessen haben, konnten sie feststellen, dass es ungefähr 20 Attosekunden länger dauerte, bis ein Elektron aus dem 2p-Orbital im Vergleich zum 2s-Orbital eines Neonatoms austreten konnte. Nachfolgende Experimente anderer Gruppen haben die Elektronenemission in Molekülen wie Wasser und Lachgas zeitlich festgelegt.

Landsman, ein Theoretiker, arbeitet daran zu verstehen, warum Elektronen bestimmte Moleküle schneller verlassen als andere. Einige Moleküle beschränken das Elektron beispielsweise so auf einen Raum, dass das Elektron eine stehende Welle bildet., Dieser Zustand, der als Formresonanz bezeichnet wird, fängt das Elektron vorübergehend ein und verlangsamt sein Entweichen. Letztendlich möchte Landsman alle Faktoren aufklären, die Atome und Moleküle daran hindern, das Elektron auf Null zu setzen, je nachdem, wie lange Photon und Elektron aufeinander treffen. „Diese Experimente geben uns mehr Einblick, wie ein Photon mit einem Elektron interagiert“, sagt sie.

Zlatko Minev glaubt jedoch nicht, dass ein Photon ein Quantum Energie ist. Minev, ein Physiker bei IBM, erforscht, wie man einen Quantencomputer baut., In diesem neuen technologischen Kontext, sagt er, scheinen sich Photonen anders zu manifestieren.

Minev führt Experimente an Schaltungen aus supraleitenden Drähten durch, die als Qubits verwendet werden können, die Bausteine von Quantencomputern sind. Diese Schaltungen sind so ausgelegt, dass sie ein einzelnes Photon einer bestimmten Energie absorbieren, wobei die Absorption eines Photons den 1-Zustand in einem Quantencomputer darstellen kann. Sobald das Qubit ein Photon absorbiert, ändert sich seine Reaktion, so dass es keine Photonen dieser Energie mehr absorbiert.,

Die konventionelle Idee eines Photons als“ Quantum of energy “ passt nicht zu diesen Schaltungen, sagt Minev, der die Systeme als nichtlineare Quantenoszillatoren bezeichnet. „Sie könnten fragen, was es bedeutet, zwei Photonen in meinem Oszillator zu haben? Ist es zwei Einheiten Energie?“er sagt. „In diesem Fall ist es nicht so, weil jedes zusätzliche Photon im Oszillator tatsächlich eine andere Energiemenge hat. Die Energie definiert das Photon in diesem Fall nicht.“

Wie beschreibt er das Photon? „Ich bin mir nicht sicher, ob ich Ihnen eine Ein-Satz-Antwort geben kann“, sagt Minev. „Ich überlege gerade, mein eigenes Verständnis neu zu bewerten.,“Derzeit denkt er, dass das Photon ein „Quantum der Aktion“ ist, wobei sich „Aktion“ auf eine abstrakte Größe bezieht, die das zulässige Verhalten seines Systems beschreibt.

Während Physiker die Grundlagen neu bewerten, beleuchten diese neuen Experimente die Verbindung zwischen Grundlagenwissenschaft und Anwendungen. Die Quanteninternet-Technologie von Kuo teilt die Abstammung mit der Hardware, die in den Tests der Verschränkung verwendet wird. Minevs Studien seines nichtlinearen Oszillators helfen ihm, Methoden zur Korrektur von Fehlern in Quantencomputern zu entwickeln., Landsmans Forschung über den photoelektrischen Effekt in Molekülen kann Hinweise auf seine elektronischen Eigenschaften aufdecken, die Wissenschaftlern schließlich einen neuen Weg für die Gestaltung von Materialien mit gewünschten Spezifikationen bieten könnten. Migdall sagt, dass Forscher Glockentests verwenden, um die Zufälligkeit in neuen Modellen von Zufallszahlengeneratoren zu überprüfen, die verwickelte Partikel ausnutzen.

Dennoch entzieht sich die wahre Natur des Photons Physikern. „All die fünfzig Jahre bewussten Grübelns haben mich der Antwort auf die Frage nicht näher gebracht: Was sind Lichtquanten?“Einstein schrieb 1951 in einem Brief., „Natürlich denkt heute jeder Schurke, er kenne die Antwort,aber er täuscht sich.“

Er mag sich in Bezug auf die Verschränkung geirrt haben, aber sieben weitere Jahrzehnte kollektiver Grübelei später hält die Stimmung immer noch an.

Sophia Chen trägt zu WIRED, Science und Physics Girl bei. Sie ist eine freie Schriftstellerin mit Sitz in Columbus, Ohio.

Viel Spaß mit diesem Artikel?, Get similar news in your inbox

Get more stories from SPIE