Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gequetschte Quanten-Katzen

26.05.2015

ETH-Professor Jonathan Home und seine Mitarbeiter griffen tief in die Trickkiste und kreierten sogenannte «gequetschte Schrödinger-Katzen». Diese Quantensysteme könnten für zukünftige Technologien äusserst nützlich sein.

Die Quantenphysik steckt voller faszinierender Phänomene. Da ist zum Beispiel die Katze aus dem berühmten Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger. Sie kann zugleich tot und lebendig sein, da ihr Leben vom quantenmechanisch bestimmten Zustand eines radioaktiv zerfallenden Atoms abhängt, das seinerseits Giftgas in den Katzenkäfig entweichen lässt. Solange man den Zustand des Atoms nicht gemessen hat, weiss man auch nichts über den Gesundheitszustand der armen Katze – Atom und Mieze sind aufs engste miteinander «verschränkt».

Ähnlich verblüffend sind die etwas weniger bekannten, sogenannt gequetschten Quantenzustände: Normalerweise kann man, nach der Heisenbergschen Unschärferelation, bestimmte Paare von physikalischen Messgrössen – beispielsweise den Ort und die Geschwindigkeit eines Quantenteilchens – nicht beliebig genau bestimmen.

Allerdings lässt die Natur hier einen Tauschhandel zu: Präpariert man das Teilchen entsprechend, so lässt sich eine der Grössen etwas exakter messen, wenn man dafür eine ungenauere Kenntnis der anderen Grösse in Kauf nimmt. Das Präparieren wird in diesem Fall «quetschen» genannt, weil die Unschärfe der einen Messgrösse verkleinert (gequetscht) wird.

Schrödingers Katze und die gequetschten Quantenzustände sind, jedes für sich genommen, bereits wichtige physikalische Phänomene, auf denen vielversprechende Zukunftstechnologien beruhen. ETH-Forschern ist es nun gelungen, die beiden in einem Experiment gewinnbringend zu vereinen.

Quetschen und Verschieben

In ihrem Labor fangen Jonathan Home, Professor für experimentelle Quantenoptik und Photonik, und seine Kollegen dazu ein einzelnes elektrisch geladenes Kalzium-Ion in einem winzigen Käfig aus elektrischen Feldern ein. Mit Hilfe von Laserstrahlen kühlen sie das Ion soweit ab, dass es sich im Käfig nur noch minimal bewegt. Dann folgt ein Griff in die Trickkiste: Die Forscher «quetschen» den Bewegungszustand des Ions, indem sie es mit Laserlicht beschiessen und dabei geschickt den spontanen Zerfall seiner Energiezustände ausnutzen.

Am Ende ist die Wellenfunktion des Ions (die seine räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit angibt) buchstäblich zusammengestaucht : Die Physiker wissen jetzt genauer, wo sich das Ion räumlich befindet, dafür hat die Unschärfe in seiner Geschwindigkeit entsprechend zugenommen. «Diese Zustandsquetschung ist ein wichtiges Werkzeug für uns», erklärt Home. «Zusammen mit einem zweiten Werkzeug – sogenannten zustandsabhängigen Kräften – können wir eine ‹gequetschte Schrödinger-Katze› herstellen.»

Dazu wird das Ion wiederum Laserstrahlen ausgesetzt, die es nach links oder rechts verschieben. Die Richtung der vom Laser erzeugten Kräfte hängt davon ab, in welchem inneren Energiezustand sich das Ion befindet. Diesen kann man als nach oben oder unten zeigenden Pfeil oder sogenannten Spin abbilden. Ist das Ion in einem Energie-Überlagerungszustand aus «Spin oben» und «Spin unten», so wirkt die Kraft sowohl nach rechts als auch nach links. Auf diese Weise ergibt sich eine besondere Situation, die Schrödingers Katze ähnelt: Das Ion befindet sich in einem Zwitter-Zustand, nämlich zugleich rechts (Katze lebt) und links (Katze ist tot). Erst wenn man den Spin misst, entscheidet sich, ob das Ion rechts oder links ist.

Stabile Katzen für Quantencomputer

Das Besondere an der Schrödinger-Katze von Home und seinen Mitarbeitern ist, dass sich durch die anfängliche Quetschung die Ionen-Zustände «rechts» und «links» besonders leicht unterscheiden lassen. Zugleich ist die Katze recht gross, da die Ionen- Zustände weit voneinander entfernt sind. «Selbst ohne die Quetschung ist unsere ‹Katze› die grösste, die bislang hergestellt wurde», unterstreicht Home. «Mit der Quetschung sind die Zustände «rechts» und «links» noch besser unterscheidbar – sie sind ganze sechzigmal schmaler als der Abstand zwischen ihnen.»

Dabei geht es freilich nicht bloss um wissenschaftliche Rekorde, sondern auch um praktische Anwendungen. Gequetschte Schrödinger-Katzen sind nämlich extrem stabil gegenüber bestimmten Störungen, die normalerweise dazu führen, dass aus ihnen ganz normale «Katzen» ohne Quanteneigenschaften werden. Diese Stabilität liesse sich etwa zur Realisierung von Quantencomputern ausnutzen, die mit Quanten-Überlagerungen rechnen. Auch ultra-präzise Messungen könnten so unempfindlicher gegen unerwünschte äussere Einflüsse werden.

Literaturhinweis

Lo HY, Kienzler D, de Clercq L, Marinelli M, Negnevitsky V, Keitch, BC, Home JP: Spin–motion entanglement and state diagnosis with squeezed oscillator wavepackets. Nature, 21. Mai 2015, doi: 10.1038/nature14458 [http://dx.doi.org/10.1038/nature14458]

News und Medienstelle | ETH Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Flashmob der Moleküle
19.01.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Verkehrsstau im Nichts
19.01.2017 | Universität Konstanz

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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise