Physiker der Saar-Uni haben gezeigt, wie man empfindliche Quantensysteme stabilisiert. Das hilft möglicherweise bei der Entwicklung künftiger Quantencomputer. [...]
Die Quantenphysik birgt technologische Möglichkeiten, die mit heutigen, herkömmlichen Technologien nicht im Geringsten zu vergleichen sind: Kommunikation, die mit quantenphysikalischen Methoden verschlüsselt ist, wäre nach dem heutigen Wissensstand zu hundert Prozent abhörsicher, Quantencomputer könnten bestimmte Probleme um ein Vielfaches schneller als heutige Rechner lösen. Die Crux ist aber, dass Quanten-Systeme aus mehreren Teilchen, etwa Atomen, höchst instabil sind. Ihren Zustand so zu halten, dass sie nutzbar sind, ist derzeit eine der größten Herausforderungen der Physik. Den Saarbrücker Physikern Giovanna Morigi und Jürgen Eschner ist es gemeinsam mit dem Physik-Nobelpreisträger von 2012, David Wineland, und seinen Mitarbeitern gelungen, eine Methode zu beschreiben, die ein solches System stabilisiert. Sie haben diese Methode in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
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Der Quantenphysik liegt ein Prinzip zugrunde, das für Nicht-Physiker schwer nachzuvollziehen ist: Ein Teilchen, zum Beispiel ein Lichtteilchen (Photon) oder ein Atom, befindet sich nicht in einem eindeutigen Zustand, sondern kann zu einem bestimmten Zeitpunkt zwei Zustände zugleich einnehmen. Auf die Computertechnologie übertragen bedeutet das zum Beispiel, dass die Bits, aus denen eine Information auf einem normalen Computer besteht, die Zustände 1 oder 0 haben können, auf einem Quantencomputer hingegen die Zustände 1 und 0 gleichzeitig, in jeder beliebigen Kombination. Ein Quantencomputer kann in derselben Zeit, in der ein herkömmlicher 32-Bit-Rechner einen seiner 2 hoch 32 möglichen Zustände (insgesamt 4.294.967.296) verarbeitet, parallel alle diese Zustände verarbeiten.
Den Zustand eines Systems solcher Teilchen nennen Physiker „verschränkt“. Das Quantensystem hat dabei eine wichtige Eigenschaft: Untersucht man den Zustand eines Teilchens im System, kennt man automatisch den Zustand des gesamten Systems. Die Teilchen in diesem verschränkten Zustand zu halten, ist allerdings sehr schwierig und eine der größten Herausforderungen für die zeitgenössische Physik. Bereits winzigste äußere Einflüsse können das Quantensystem zerstören, und die vorteilhaften Eigenschaften sind dahin.
„Methoden zur robusten Erzeugung solcher Zustände sind also sehr gesucht. Dies ist vergleichbar mit einer Konstruktionsvorschrift für ein Leichtbauboot, welches auch bei schwerem Sturm ruhig seinen Kurs hält”, erklären Giovanna Morigi (Professorin für Theoretische Quantenphysik an der Universität des Saarlandes) und Jürgen Eschner (Professor für Quanten-Photonik, ebenfalls Universität des Saarlandes). Gemeinsam mit dem Physik-Nobelpreisträger David Wineland (National Institute of Standards and Technology, Boulder/Colorado) und weiteren Physikern beschreiben sie nun ein System aus vier Atomen, das in einen verschränkten Zustand übergeht und stabil dort bleibt.
LASER: ANREGEND UND KÜHLEND
Die Forscher schlagen vor, das Quantensystem mit einer gezielten Sequenz von Laser-Impulsen energetisch anzuregen. Das alleine würde aber nicht reichen, um die Verschränkung stabil zu halten. „Gleichzeitig wird das System mit einem weiteren Laser gekühlt“, ergänzen die Wissenschaftler, die gemeinsam ein Forschungssemester bei David Wineland verbracht haben. Der besondere Effekt der Methode besteht darin, dass die Laserkühlung, welche normalerweise die Verschränkung zunichte macht, hier im Zusammenwirken mit den Pulsen den umgekehrten Effekt entwickelt, diese zu stabilisieren.
Die Erkenntnisse, die das internationale Forscherteam gewonnen hat, sind wichtige Grundlagen für weiterführende Forschungen: Die Gruppe von David Wineland entwickelt Atomuhren, die Quantentechnologien wie eben die Verschränkung mehrerer Atome zur präziseren Zeitmessung ausnutzen. Die Gruppen von Giovanna Morigi und Jürgen Eschner arbeiten an Techniken zur Quantenkommunikation, welche auf der Verschränkung zwischen Atomen und Photonen beruhen.
Der Aufsatz „Dissipative Quantum Control of a Spin Chain“ erschien am 13. November in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“. (pi/rnf)
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