Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantensimulator öffnet sich der Welt

24.02.2011
Experimentalphysiker stecken viel Zeit und Mühe in die Abschirmung sensibler Messungen gegen störende Einflüsse der Umwelt.

Nun haben Quantenphysiker in Innsbruck erstmals die Grundbausteine eines offenen Quantensimulators realisiert, bei dem die kontrollierte Anbindung an die Umgebung nutzbringend eingesetzt wird. Damit kann in Zukunft das Verhalten sehr komplexer Quantensysteme untersucht werden. Die Forscher berichten darüber in der Fachzeitschrift Nature.


Ein Ion wechselwirkt mit dem Quantensystem und stellt gleichzeitig einen kontrollierten Kontakt zur Außenwelt her. Grafik: Harald Ritsch

Die Eigenschaften der Quantenphysik liegen vielen Phänomenen unserer Welt zugrunde: der Struktur von Atomen und Molekülen, chemischen Reaktionen, Materialeigenschaften, dem Magnetismus und möglicherweise auch manchen biologischen Prozessen. Detailliertes Verständnis stößt allerdings rasch an Grenzen, weil die Komplexität der Phänomene mit der wachsenden Zahl der beteiligten Quantenteilchen rapide ansteigt. Herkömmliche Computer scheitern sehr rasch an der Berechnung solcher Probleme.

Physiker entwickeln deshalb seit einigen Jahren auf verschiedenen Plattformen wie zum Beispiel Neutralatomen, Ionen oder Festkörpersystemen Quantensimulatoren, die ähnlich wie Quantencomputer die besonderen Eigenschaften der Quantenphysik zur Beherrschung dieser Komplexität nutzen. Zum Jahreswechsel hat die Fachzeitschrift Science die Fortschritte auf diesem Gebiet zu einem der wissenschaftlichen Durchbrüche des Jahres 2010 gekürt. Ein Team von Nachwuchsforschern aus den Arbeitsgruppen von Rainer Blatt und Peter Zoller an den Instituten für Experimentalphysik und Theoretische Physik der Universität Innsbruck sowie am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften bringt diese Bemühungen nun noch einen wesentlichen Schritt weiter. Sie haben zum ersten Mal einen umfassenden Baukasten für einen offenen Quantencomputer entwickelt, mit dem in Zukunft größere Quantensimulatoren zur Untersuchung komplexer Aufgabenstellungen konstruiert werden können.

Kontrollierte Störungen erwünscht
Die Wissenschaftler nutzen dazu eine Eigenschaft, die üblicherweise in Experimenten möglichst minimiert wird: Störungen durch die Umwelt. Quantensysteme verlieren durch Störungen gewöhnlich Information und fragile Quanteneffekte wie Verschränkung oder Überlagerung werden zerstört. Die Physik nennt diesen Prozess Dissipation. Die Innsbrucker Forscher um die Experimentalphysiker Julio Barreiro und Philipp Schindler und den Theoretiker Markus Müller verwenden die Dissipation für ihren Quantensimulator aus gespeicherten Ionen zum ersten Mal gewinnbringend, indem sie die Kopplung an die Umgebung künstlich konstruieren. „Wir kontrollieren nicht nur das Quantensystem aus bis zu vier Ionen in all seinen internen Zuständen, sondern auch seine Anbindung an die Umwelt“, erklärt Julio Barreiro. „In unserem Experiment nutzen wir dazu ein zusätzliches Ion, das mit dem Quantensystem wechselwirkt und gleichzeitig einen kontrollierten Kontakt zur Außenwelt herstellt“, erläutert Philipp Schindler. Das überraschende Ergebnis: Durch Dissipation lassen sich Quanteneffekte innerhalb des Systems, wie zum Beispiel Verschränkung, gezielt erzeugen und verstärken. „Dies ist uns durch den gezielten Einsatz des an sich störenden Umweltfaktors gelungen“, freut sich Markus Müller.
Dissipation schafft Ordnung in der Quantenwelt
In einem der Experimente demonstrieren die Forscher den erfolgreichen Einsatz von Dissipation, indem sie mit Hilfe des Umgebungsions vier weitere Ionen vollständig miteinander verschränkten. „Im Gegensatz zu den üblichen Prozeduren funktioniert dies unabhängig von den Anfangszuständen der einzelnen Teilchen“, erklärt Müller. „Durch einen kollektiven Kühlungsprozess werden die Teilchen in einen gemeinsamen Zustand gedrängt.“ Auf diese Weise können Vielteilchenzustände erzeugt werden, die sonst nur in von der Umgebung sehr gut isolierten Quantensystemen hergestellt und beobachtet werden können. Dieser gewinnbringende Einsatz der Umgebung erlaubt es, neue Arten von Quantendynamik zu realisieren und Systeme zu erforschen, die bislang experimentell kaum zugänglich waren. In der Theorie hat in den letzten Jahren ein Nachdenken darüber eingesetzt, wie Dissipation nicht wie bisher nur unterdrückt, sondern aktiv als Ressource für den Bau von Quantencomputern oder Quantenspeichern genutzt werden kann. In enger Kooperation zwischen Theoretikern und Experimentalphysikern in Innsbruck ist es nun erstmals gelungen, diese grundlegenden Effekte in einem Quantensimulator erfolgreich umzusetzen.

Unterstützt wurden die Innsbrucker Forscher unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Kommission und der Tiroler Industrie.

Publikation: An Open-System Quantum Simulator with Trapped Ions. Julio T. Barreiro, Markus Müller, Philipp Schindler, Daniel Nigg, Thomas Monz, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Christian F. Roos, Peter Zoller und Rainer Blatt. Nature 2011. DOI: 10.1038/nature09801

Rückfragehinweis:
Julio Barreiro
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-6321
E-Mail: julio.barreiro@uibk.ac.at
Christian Roos
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Tel.: +43 512 507-4728
E-Mail: christian.roos@uibk.ac.at
Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Tel.: +43 650 5777122
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at
Weitere Informationen:
http://dx.doi.org/10.1038/nature09801 - An Open-System Quantum Simulator with Trapped Ions. Julio T. Barreiro, Markus Müller, Philipp Schindler, Daniel Nigg, Thomas Monz, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Christian F. Roos, Peter Zoller und Rainer Blatt. Nature 2011.

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.uibk.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

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: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Im Focus: Das VLT der ESO arbeitet erstmals wie ein 16-Meter-Teleskop

Erstes Licht für das ESPRESSO-Instrument mit allen vier Hauptteleskopen

Das ESPRESSO-Instrument am Very Large Telescope der ESO in Chile hat zum ersten Mal das kombinierte Licht aller vier 8,2-Meter-Hauptteleskope nutzbar gemacht....

Im Focus: Neuer Quantenspeicher behält Information über Stunden

Information in einem Quantensystem abzuspeichern ist schwer, sie geht meist rasch verloren. An der TU Wien erzielte man nun ultralange Speicherzeiten mit winzigen Diamanten.

Mit Quantenteilchen kann man Information speichern und manipulieren – das ist die Basis für viele vielversprechende Technologien, vom hochsensiblen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Auf der grünen Welle in die Zukunft des Mobilfunks

16.02.2018 | Veranstaltungen

Smart City: Interdisziplinäre Konferenz zu Solarenergie und Architektur

15.02.2018 | Veranstaltungen

Forschung für fruchtbare Böden / BonaRes-Konferenz 2018 versammelt internationale Bodenforscher

15.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

17.02.2018 | Energie und Elektrotechnik

Stammbaum der Tagfalter erstmalig umfassend neu aufgestellt

16.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Strategien zur Behandlung chronischer Nierenleiden kommen aus der Tierwelt

16.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics