Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenverschränkung detektiert einzelne Photonen

08.07.2013
Eine extrem empfindliche Methode für die Spektroskopie atomarer und molekularer Ionen haben Innsbrucker Quantenphysiker um Christian Roos und Cornelius Hempel im Labor realisiert. Das Verfahren ist dazu geeignet eine Vielzahl von Teilchen näher zu untersuchen. Die Forscher berichten darüber in der Fachzeitschrift Nature Photonics.

Vor knapp 200 Jahren entdeckte der bayrische Physiker Joseph von Fraunhofer im Spektrum der Sonne dunkle Linien. Wie sich später herausstellte, lässt sich anhand dieser Spektrallinien die chemische Zusammensetzung und Temperatur der Sonnenatmosphäre bestimmen.


Als „Quantenpendel“ schwingen die Ionen in beide Richtungen gleichzeitig.
Illustration: IQOQI/Knabl

Auf ähnliche Weise werden heute durch Lichtmessungen Informationen über vielfältige Objekte gesammelt. Weil dabei oft sehr wenig Licht detektiert werden muss, suchen Physiker nach immer empfindlicheren Methoden für die Spektroskopie. Im Extremfall müssen dazu auch einzelne Lichtteilchen (Photonen) verlässlich gemessen werden, was technisch äußerst schwierig ist.

Physiker des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und des Instituts für Experimentalphysik der Universität Innsbruck nehmen deshalb den Umweg über die sogenannte Quantenlogik-Spektroskopie, die vor einigen Jahren in der Gruppe des Nobelpreisträgers David Wineland für den Bau extrem genauer Atomuhren entwickelt wurde. Dies ist eine der ersten praktischen Anwendungen von Quanteninformationsverarbeitung und könnte in den nächsten Jahren zur Neudefinition der Sekunde im internationalen Einheitensystem führen.

Messung mittels Verschränkung
In einer Ionenfalle isolieren die Innsbrucker Physiker einzelne Ionen, um sie unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. „Wir versuchen nicht das von einem Ion absorbierte oder ausgesandte Photon selbst zu detektieren, sondern stattdessen den Rückstoß, den es dabei erfährt“, erklärt Cornelius Hempel. „Zwar ist auch dieser Effekt extrem klein, er lässt sich aber mit Hilfe der Quantenphysik aufspüren.“ Dazu verwenden die Physiker ein zusätzliches „Logik-Ion“, an dem die eigentliche Messung durchgeführt wird. „Dieses Kalziumion (40Ca+) können wir experimentell sehr gut kontrollieren“, erzählt Hempel. Als Untersuchungsobjekt dient den Physikern um Christian Roos und Cornelius Hempel ein weiteres Isotop von Kalzium (44Ca+).

Im Experiment versetzt zuerst ein Laserpuls die beiden Teilchen in Schwingung und korreliert überdies den elektronischen Zustand des Logik-Ions mit der Schwingung der Teilchen. „In dieser als Schrödinger-Katzen-Zustand bezeichneten Konfiguration bewegen sich die Ionen wie ein klassisches Pendel in der Falle. Als ‚Quantenpendel’ schwingen sie dabei jedoch in beide Richtungen gleichzeitig“, beschreibt Cornelius Hempel das Herzstück des Verfahrens.

„Wir regen nun das zu untersuchende Ion mit unterschiedlichen Laserfrequenzen an. Bei bestimmten Frequenzen wird das Ion ein einzelnes Photon aussenden und erfährt dadurch einen minimalen Bewegungsimpuls, der die Phase der überlagerten Schwingung geringfügig verschiebt. Das wiederum zeigt uns der elektronische Zustand des Logik-Ions an. Zusammen mit dieser Information, erlaubt es uns dann die Frequenz des Lasers, Informationen über den inneren Zustand des Spektroskopie-Ions zu gewinnen.“ Im aktuellen Experiment wurden einzelne Photonen mit einer Wahrscheinlichkeit von 12% detektiert. „Wir beweisen damit die prinzipielle Funktionsweise dieser Methode, mit einem technisch optimierten Aufbau lässt sich diese Empfindlichkeit noch wesentlich steigern“, sind Roos und Hempel überzeugt.

Universell einsetzbar
„Mit dem exotischen Konzept der quantenmechanischen Verschränkung können wir auf diese Weise also ganz praktische Informationen über einzelne Teilchen gewinnen“, freut sich Christian Roos. „Weil unsere Messmethode vergleichsweise wenig von der Wellenlänge des detektierten Photons abhängt, kann sie auch für ganz unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden“, ergänzt Cornelius Hempel. So lassen sich zum Beispiel Energieniveaus von verschiedensten Atomen und Molekülen auf dieses Weise bestimmen. Weil sich Moleküle im Experiment nur sehr schwer kontrollieren lassen, stellt dieses Verfahren gerade für komplexere Strukturen einen enormen Fortschritt dar.

Gefördert wurde die Forschungsarbeit am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck von der Europäischen Union.

Publikation: Entanglement-enhanced detection of single-photon scattering events. C. Hempel, B. P. Lanyon, P. Jurcevic, R. Gerritsma, R. Blatt, C. F. Roos. Advance online publication. Nature Photonics 2013 DOI: 10.1038/nphoton.2013.172

Bild: http://iqoqi.at/de/medien/press-photos

Kontakt:
Dipl.-Phys. Cornelius Hempel, MSc
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
und
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 4722
E-Mail: cornelius.hempel@uibk.ac.at
Web: http://www.quantumoptics.at/
Christian Flatz
Public Relations
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: pr-iqoqi@oeaw.ac.at
Weitere Informationen:
http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.172 - Entanglement-enhanced detection of single-photon scattering events. C. Hempel, B. P. Lanyon, P. Jurcevic, R. Gerritsma, R. Blatt, C. F. Roos. Advance online publication. Nature Photonics 2013

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

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: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Geothermie: Den Sommer im Winter ernten

18.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Kompositmaterial für die Wasseraufbereitung

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Brain-Computer-Interface: Wenn der Computer uns intuitiv versteht

18.01.2017 | Informationstechnologie