Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker der Saar-Uni zeigen, wie man empfindliche Quantensysteme stabilisiert

03.12.2015

Die Quantenphysik birgt technologische Möglichkeiten, die mit heutigen Technologien nicht zu vergleichen sind: Quantencomputer beispielsweise könnten Probleme viel schneller als heutige Rechner lösen. 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. 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.

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.

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.

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.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Jürgen Eschner
Tel. (0681) 30258016
E-Mail: juergen.eschner@physik.uni-saarland.de

Prof. Dr. Giovanna Morigi
Tel.: (0681) 30257472
E-Mail: giovanna.morigi@physik.uni-saarland.de

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

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.200502

Thorsten Mohr | Universität des Saarlandes
Weitere Informationen:
http://www.uni-saarland.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forscher entwickeln zweidimensionalen Kristall mit hoher Leitfähigkeit
21.08.2017 | Universität Leipzig

nachricht Topologische Quantenzustände einfach aufspüren
21.08.2017 | Universität Innsbruck

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: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher entwickeln zweidimensionalen Kristall mit hoher Leitfähigkeit

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein neuer Indikator für marine Ökosystem-Veränderungen - der Dia/Dino-Index

21.08.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Kieler Wissenschaft entwickelt exzellentes Forschungsdatenmanagement

21.08.2017 | Informationstechnologie