Thorsten Mohr
Physik

Forscher zeigen, wie man Quantensysteme stabilisiert

Die Quantenphysik birgt technologische Möglichkeiten, die mit heutigen, herkömmlichen Technologien nicht im Geringsten zu vergleichen sind: Kommunikation beispielsweise, die mit quantenphysikalischen Methoden verschlüsselt ist, wäre zu 100 Prozent abhörsicher, Computer sehr viel leistungsfähiger. Die Crux ist aber, dass Quanten-Systeme höchst instabil sind. Ihren Zustand so zu halten, dass sie nutzbar sind, ist derzeit eine der größten Herausforderungen der Physik. Die Saarbrücker Physiker Giovanna Morigi und Jürgen Eschner (Foto) haben nun gemeinsam mit dem Physik-Nobelpreisträger von 2012, David Wineland, und seinen Mitarbeitern eine Methode beschrieben, die ein solches System stabilisiert.
Von Thorsten Mohr • 07.12.2015

Man stelle sich vor, ein kleines Boot gerät auf hoher See in einen schweren Sturm. Unkontrollierbar tanz es über die Wellen, droht zu kentern. Die Insassen versuchen alles, um das Boot zu stabilisieren. Dafür rudern sie mit allen Kräften in die Richtung, in der der Sturm am heftigsten tobt.

Wie bitte? Das kann doch nicht funktionieren. Aber genau das ist es, was sich Saarbrücker Quantenphysiker ausgedacht haben, um ein hochempfindliches System aus Atomen im Quantenzustand zu stabilisieren. „Die Methode ist vergleichbar mit einer Konstruktionsvorschrift für ein Leichtbauboot, welches auch bei schwerem Sturm ruhig seinen Kurs hält. Unsere Vorschrift geht sogar noch darüber hinaus: Sie nutzt den Sturm aus, um den Kurs zu stabilisieren“, erklären Jürgen Eschner und Giovanna Morigi, Quantenphysiker an der Universität des Saarlandes. Gemeinsam mit dem Physik-Nobelpreisträger David Wineland (National Institute of Standards and Technology, Boulder/Colorado) seinen Mitarbeitern Dr. Dietrich Leibfried und Yiheng Lin und Cecilia Cormick (ehemalige Humboldt-Stipendiatin an der Saar-Uni und jetzt Professorin an der Universität Cordoba in Argentinien) beschreiben sie in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ ein System aus vier Atomen, das in einen so genannten verschränkten Zustand übergeht und stabil dort bleibt.

Verschränkt bedeutet, dass in einem System aus mehreren Quanten-Teilchen, in diesem Modell aus den vier Atomen, der Zustand eines Teilchens zugleich den Zustand aller anderen Teilchen im System erklärt. Sie lassen sich nur noch als Ganzes, nicht aber mehr als unabhängige Teilchen beschreiben. Die Teilchen in diesem verschränkten Zustand zu halten und sie damit für quantentechnologische Anwendungen nutzbar zu machen, ist allerdings sehr schwierig und eine der größten Herausforderungen für die zeitgenössische Physik. Denn bereits winzigste äußere Einflüsse können das Quantensystem zerstören, und die vorteilhaften Eigenschaften sind dahin.

Die Forscher schlagen nun also vor, das Quantensystem mit einer gezielten Sequenz von Laser-Impulsen energetisch anzuregen. Das alleine würde aber nicht reichen, um die Verschränkung stabil zu halten. Daher greifen sie zu einem Trick. Sie rudern das metaphorische Boot tiefer in den Sturm hinein: „Gleichzeitig wird das System mit einem weiteren Laser gekühlt“, ergänzen die Wissenschaftler, die ein Forschungssemester bei David Wineland verbracht haben. Der besondere Effekt der Methode besteht darin, dass die Laserkühlung, welche normalerweise die Verschränkung zunichtemacht, hier im Zusammenwirken mit den Pulsen den umgekehrten Effekt entwickelt, diese zu stabilisieren. „Diese Laserkühlung entspricht also dem Sturm, den das wackelige Boot paradoxerweise ausnutzt, um kontrolliert weiterfahren zu können“, erläutern die Physiker das Prinzip.

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.

 

Hintergrund

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 verarbeitet, parallel alle diese Zustände verarbeiten. Er ist also ungleich schneller und effizienter als ein normaler Computer.

Um die Technologie allerdings effizient nutzen zu können, müssen die Teilchen in größeren Systemen stabil im Quantenzustand gehalten werden. An dieser großen Herausforderung arbeiten Quantenphysiker aus aller Welt. Auch an der Universität des Saarlandes widmen sich mehrere Forschergruppen dem Schwerpunkt „Quantenoptik und Quanteninformation.“

Der Aufsatz „Dissipative Quantum Control of a Spin Chain“ erschien am 13. November in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.
DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.200502

Link zur Arbeitsgruppe von Giovanna Morigi
Link zur Arbeitsgruppe von Jürgen Eschner

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