Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Münchner Forscher bauen ersten Quanten-Abakus

30.10.2003


Messsignal für unterschiedliche Gesamtzustände eines Quantengatters: Findet keine Wechselwirkung zwischen den Atomen statt (hinteres Bild), zeigt sich ein deutliches Materie-Interferenzmuster. Kommt es zu Wechselwirkungen benachbarter Atomen, so wird eine Verschränkung aufgebaut, was im Idealfall eines hochgradig verschränkten Zustands zu einem völligen Verlust der Interferenzfähigkeit führt (Bild Mitte). Der Prozess kann so gut kontrolliert werden, so dass sich die aufgebaute Verschränkung auch wieder vollständig abbaut, was zu einem eindrucksvollen Wiederaufleben des Materie-Interferenzmusters führt (vorderes Bild).
Bild: Max-Planck-Institut für Quantenoptik



Wirkungsweise der Quantengatter: Im Anfangszustand (a) befindet sich ein Atom pro Gitterplatz des künstlichen Kristalls aus Licht. Jedes Atom befindet sich in einer Überlagerung aus zwei internen Zuständen (rot und blau). Die Zustände können kontrolliert durch das Licht des optischen Kristalls in verschiedene Richtungen verschoben werden, hier rot nach links und blau nach rechts (b). Kommen die Zustände ursprünglich benachbarter Atome in Kontakt (c), so findet eine kontrollierte Wechselwirkung zwischen den Zuständen statt, die durch die Haltezeit der Atome an demselben Platz kontrolliert werden kann. Nach Rückführen der Zustände an ihre anfängliche Position (d) kann ein hochgradig verschränkter Zustand in der gesamten Kette aufgebaut worden sein. Bild: Max-Planck-Institut für Quantenoptik


Grundlagenforscher verwirklichen in einem Bose-Einstein-Kondensat das erste hochparallele Quantengatter für einen Quantencomputer


In neuesten Experimenten haben Münchner Grundlagenforscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität eine außerordentliche Kontrolle über Materie am absoluten Nullpunkt erreicht. Dazu präparierten die Wissenschaftler um Immanuel Bloch und Theodor W. Hänsch zunächst eine Art "Rechenregister" aus einzelnen Atomen, die selbst wiederum in einem künstlichen Kristall aus Licht gefangen sind. In der aktuellen Ausgabe der internationalen Fachzeitschrift "nature" berichten die Forscher, wie sie ein hochparalleles Quantengatter durch die kontrollierte Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomen realisiert haben (Nature, 30. Oktober 2003). Solche Quantengatter sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem skalierbaren Quantencomputer und eröffnen neue Perspektiven für genaueste Zeitmessungen.

Im Jahr 2001 wurde der Physik-Nobelpreis für bahnbrechende Arbeiten zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten vergeben. Das ist - neben den bisherigen vier Aggregatzuständen fest, flüssig, gasförmig und Plasma - eine völlig neuartige Form von Materie: Wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt verlieren die einzelnen Atome eines Gases ihre Eigenständigkeit und verhalten sich wie ein einziges, quantenmechanisches Objekt, eine Art "Superatom". Dieses kollektive Verhalten wurde Anfang der zwanziger Jahre von dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose (1894-1974) und Albert Einstein (1879-1955) vorausgesagt. In diesem nach seinen Entdeckern benannten Zustand, dem Bose-Einstein-Kondensat, haben alle Atome dieselben physikalischen Eigenschaften, gemeinsam besetzen sie das tiefstmögliche Energieniveau. Das Kondensat verhält sich wie eine einzige Welle, die Atome marschieren quasi im Gleichschritt.


Jetzt haben Münchner Forscher die Materiewelle eines Bose-Einstein-Kondensats zunächst aufgebrochen und seine einzelnen Atome in ein Lichtgitter aus Tausenden von laserpinzetten-artigen Mikrofallen geladen. Auf diese Weise bildet sich ein so genannter Mott-Isolator-Zustand der Materie, in dem jeder Gitterplatz mit genau einem einzelnen Atom besetzt ist. Dieses Gitter mit mehr als 100.000 Atomen ist Ausgangspunkt für weitere Experimente und stellt ein ideales quantenmechanisches Rechenregister dar. Jedes einzelne Atom in diesem Gitter ist dabei ein so genanntes Quantenbit (Q-Bit) mit zwei internen Zuständen, 0 und 1.

Doch wie kann man nun die zunächst voneinander isolierten Quanten-Bits miteinander in Wechselwirkung bringen? Dazu bedienen sich die Forscher eines "Quanten-Förderbandes", in dem sie die interne Struktur der einzelnen Atome ausnutzen und verschiedene Zustände in verschiedene Richtungen transportieren (siehe Bild 2 (b)). Wählt man nämlich geeignete Werte für Frequenz und Polarisation des für einen solchen Lichtkristall verwendeten Lasers, so kann man erreichen, dass ein Atom im Zustand 0 (rot, siehe Bild 2) zum Beispiel nach links, ein Atom im Zustand 1 (blau, siehe Bild 2) aber nach rechts transportiert wird. Dabei lässt sich über die Polarisation der Laserstrahlen genau kontrollieren, wie weit sich die Atome bewegen dürfen.

Eine wichtige Eigenschaft der Quanten-Bits ist nun, dass sie sich nicht nur entweder im Zustand 0 oder 1 befinden können, sondern auch in einem "Überlagerungszustand" aus 0 und 1 präpariert werden können. In einem solchen Überlagerungszustand ist jedes einzelne Atome gleichzeitig in den Zuständen 0 (rot) und 1 (blau). Schaltet man nun das Quantenförderband ein, so spaltet sich das einzelne Atom gewissermaßen auf und bewegt sich gleichzeitig sowohl nach links als auch nach rechts. In dem Gitter aus einzelnen Atomen passiert dies für jedes einzelne Atom. Wenn man das Förderband nur so lange einschaltet, bis sich die Atome um genau einen Gitterplatz bewegt haben, trifft jedes Atom an einem gemeinsamen Gitterplatz auf seinen nächsten Nachbarn (siehe Bild 2 (c)).

Befinden sich zwei Atome an einem Gitterplatz, so kommt es zu einer kontrollierten Stosswechselwirkung zwischen beiden Atomen, die als Grundlage für ein einzelnes Quantengatter dient (Bild 2 (c)). Nach dieser Stosswechselwirkung lässt man das Förderband wieder rückwärts laufen, so dass die Atome zurück zu ihren ursprünglichen Gitterplätzen transportiert werden (siehe Bild 2 (d)). Man könnte zunächst glauben, dass Stöße zwischen Atomen zu einer unkontrollierten Entwicklung des atomaren Systems führen und daher ungeeignet für die komplexe und äußerst empfindliche Realisierung eines Quantengatters sind. Doch Peter Zoller von der Universität Innsbruck und Ignacio Cirac (jetzt Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching) haben in ihren Arbeiten gezeigt, dass die Stöße bei ultrakalten Temperaturen perfekt kontrollierbar sind.

In einem solchen einzelnen Quantengatter wechselwirkt jedes Atom mit seinen rechten und linken Nachbaratomen gleichzeitig und diese wechselwirken wiederum mit ihren Nachbarn. Der Prozeß kann mit einer Kette von Menschen veranschaulicht werden, in der jeder seinem rechten und linken Nachbarn die Hand gibt; auch entfernte Personen sind dann in gewisser Weise miteinander verbunden, auch wenn sie sich nicht direkt die Hand geben. Durch diese Kette von gleichzeitigen atomaren Wechselwirkungen entstehen Korrelationen zwischen Atomen, auch wenn sie nicht direkt benachbart sind und ein hochparalleles Quantengatter-Netzwerk bildet sich heraus. Die Münchner Theorie-Arbeitsgruppe um Hans Briegel hat berechnet, dass bei der Anwendung dieses Quantengatter Netzwerks ein neuer hochgradig "verschränkter" Zustand in diesem Vielteilchensystem entsteht, der unter anderem auch als "Schaltkreis" für einen Quantencomputer verwendet werden kann. Das Experimentatoren-Team um Immanuel Bloch und Theodor Hänsch konnte nun die Wirkungsweise dieser hochparallelen Quantengatter direkt nachweisen und damit einen wichtigen Schritt in Richtung auf einen skalierbaren Quantencomputer vollziehen.

Anders als bei herkömmlichen Computern, bei der eine Rechnung nach der anderen abgearbeitet werden muss, könnten Quantencomputer durch die Überlagerungszustände der Quanten-Bits viele Operationen gleichzeitig ausführen und wären damit für bestimmte Aufgaben den klassischen Rechnern weit überlegen.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Immanuel Bloch
Johannes-Gutenberg-Universität, Institut für Physik, Mainz
Tel.: 06131-39-26234, Fax: -25179
E-Mail: bloch@uni-mainz.de

Prof. Dr. Theodor W. Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik und
Ludwig-Maximilians-Universität, Garching und München
Tel.: 089-2180-3212, Fax: 089-285192
E-Mail: t.w.haensch@physik.uni-muenchen.de

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2002/pri0201.htm
http://www.mpq.mpg.de/~haensch/bec
http://www.mpq.mpg.de/~haensch/html/experiments.html

Weitere Berichte zu: Bose-Einstein-Kondensat Quantencomputer Quantengatter

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise