Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein neuer Dreh für Quantensysteme

18.04.2013
Physiker der ETH Zürich haben eine Methode entwickelt, um Quantensysteme präzise steuern zu können. Dafür nutzen sie einen Trick, der auch Katzen hilft, auf den Pfoten zu landen, und Autofahrern, seitlich einzuparkieren. Die Methode könnte zur Entwicklung von zuverlässigen Quantenrechnern führen.

Ein Auto in eine Parklücke längs der Fahrbahn zu manövrieren, kann eine grosse Herausforderung sein. Einfach wäre die Aufgabe freilich, wenn sich das Fahrzeug seitwärts bewegen liesse. Da dies nicht möglich ist, muss die Verschiebung zur Seite durch eine Aneinanderreihung von Vor- und Rückwärtsbewegungen und von Lenkeinschlägen mehr oder weniger elegant zusammengestückelt werden.


Greifbare Quantenobjekte: Diese Mikrowellenresonatoren (links) messen 32 x 15 x 5 Millimeter und beherbergen supraleitende Schaltkreise (Mitte und rechts), die ein ähnliches Quantenverhalten an den Tag legen wie Atome.
Bild: Abdufarrukh Abdumalikov / ETH Zürich

Eine solch fein abgestimmte Abfolge von Bewegungen ist es auch, die es Katzen ermöglicht, nach einem freien Fall stets auf ihren Pfoten zu landen. Ein ähnliches Prinzip haben Forschende der ETH Zürich nun dazu verwendet, ein Quantensystem in einen vorgegebenen Zustand zu lenken. Diese neue Art der Kontrolle sollte in Situationen nützlich sein, in denen Quantensysteme präzise gesteuert werden müssen, im Besonderen im Zusammenhang mit Quantenrechnern.

Greifbare Quantenwelt

Für ihre Forschung arbeiten die Wissenschaftler in der Gruppe von Andreas Wallraff, Professor am Laboratorium für Festkörperphysik, mit «künstlichen Atomen» aus elektronischen Schaltkreisen, die sie mit Mikrowellenpulsen steuern. Diese Schaltkreise beinhalten supraleitende Komponenten – Bauteile also, in denen ein elektrischer Strom ohne Widerstand fliessen kann –, sie messen typischerweise Bruchteile eines Millimeters. «Für einen Quantenphysiker sind diese Schaltkreise enorm grosse Objekte, aber sie legen ein Verhalten an den Tag, das dem von Atomen sehr ähnlich ist», erklärt Wallraff.

Die Forscher setzen auf solche Schaltkreise, weil deren Design und deren Eigenschaften im Vergleich zu natürlichen Quantensystemen – wie etwa Atome, Elektronen oder Photonen – einfach für verschiedene Anwendungen angepasst werden können. Ausserdem können die Wissenschaftler in diesen supraleitenden Schaltkreisen fragile Quantenzustände während mehrerer Mikrosekunden aufrechterhalten, was einer verhältnismässig langen Zeit entspricht. Diese Zeit kann dazu genutzt werden, die Zustände mit den Mikrowellenpulsen zu manipulieren, sei es, um die Quantenzustände selbst zu untersuchen, oder um sie in einem Quantenrechner zu verwenden.

Den richtigen Dreh gefunden

Den Quantenzuständen droht jedoch Gefahr von aussen: Ebenso wie natürliche Quantensysteme sind auch die Quanten-Schaltkreise höchst empfindlich gegenüber Störungen, verursacht etwa durch nicht perfekte Abschirmungen. Die ETH-Forscher haben nun unter der Leitung von Stefan Filipp, Wissenschaftler in der Gruppe von Wallraff, einen möglichen Weg gefunden, um die Steuerung stabil gegenüber Störeinflüssen zu machen. Sie nutzen dafür die Geometrie des sogenannten Hilbert-Raumes aus. Dieser abstrakte Raum ist der «natürliche Lebensraum» eines quantenmechanischen Systems. Ebenso wie ein Auto durch einen zweidimensionalen Raum gesteuert wird, kann ein Quantensystem durch den Hilbert-Raum bewegt werden.
Sowohl beim Einparkieren wie auch beim Steuern eines Quantensystems ist die spezifische Abfolge der Operationen wichtig. Wenn der Autofahrer beispielsweise zuerst alle Lenkbewegungen vollzieht und danach alle Vor- und Rückwärtsbewegungen, dann führt dies kaum zu einem erfolgreichen Parkiervorgang. Ähnlich verhält es sich mit den künstlichen Atomen der ETH-Physiker, welche sie mit Mikrowellenpulsen steuern. «Wir erzielen verschiedene Endresultate, je nachdem in welcher Reihenfolge wir die einzelnen Pulse anwenden, obwohl die Pulse die gleiche Form, die gleiche Energie und die gleiche Länge haben. Dies lässt sich nur durch die verschiedenen Wege erklären, die das System durch den Hilbert-Raum nimmt», sagt Stefan Filipp.

Auf dem Weg zu einem Quantencomputer

«Wir haben es zum ersten Mal überhaupt geschafft, diese spezifische Art von Steuerung an einem isolierten Quantenobjekt durchzuführen und den Vorgang detailliert zu untersuchen», ergänzt Abdufarrukh Abdumalikov, ebenfalls Wissenschaftler in der Gruppe von Wallraff. Wesentlich zum Erfolg der ETH-Physiker beigetragen hat, dass die Wissenschaftler mit relativ kurzen Mikrowellenpulsen arbeiten. «Dadurch können wir die Operationen schnell durchführen, bevor Störungen den Quantenzustand unwiderruflich zerstören», sagt Abdumalikov.
Die Forscher erwarten, dass ihre Methode einen gangbaren Weg in Richtung eines praktischen Quantencomputers vorzeichnet. An der Entwicklung solcher Geräte, welche die Gesetze der Quantenmechanik zur Bewältigung von Rechenaufgaben nutzen, wird derzeit in der Physik intensiv geforscht. Denn die Quantenphysik eröffnet ein ganzes Spektrum an neuen Möglichkeiten zur Informationsverarbeitung. So erhofft man sich von Quantenrechnern, dass sie eines Tages helfen, Probleme zu lösen, die rechnerisch zu aufwendig sind, als dass sie ein konventioneller Computer jemals in nützlicher Zeit lösen könnte.

Abdumalikov AA, Fink JM, Juliusson K, Pechal M, Berger S, Wallraff A, Filipp S: Experimental Realization of Non-Abelian Non-Adiabatic Geometric Gates. Nature, 2013, doi: 10.1038/nature12010

Roman Klingler | idw
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All
24.01.2017 | Leibniz Universität Hannover

nachricht European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen
24.01.2017 | European XFEL GmbH

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: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie