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 Forscher verwandeln Diamant in Graphit
24.11.2017 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

nachricht Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen
24.11.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: Metamaterial mit Dreheffekt

Mit 3D-Druckern für den Mikrobereich ist es Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelungen ein Metamaterial aus würfelförmigen Bausteinen zu schaffen, das auf Druckkräfte mit einer Rotation antwortet. Üblicherweise gelingt dies nur mit Hilfe einer Übersetzung wie zum Beispiel einer Kurbelwelle. Das ausgeklügelte Design aus Streben und Ringstrukturen, sowie die zu Grunde liegende Mathematik stellen die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science vor.

„Übt man Kraft von oben auf einen Materialblock aus, dann deformiert sich dieser in unterschiedlicher Weise. Er kann sich ausbuchten, zusammenstauchen oder...

Im Focus: Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen

Hochpräzise Messung des g-Faktors elf Mal genauer als bisher – Ergebnisse zeigen große Übereinstimmung zwischen Protonen und Antiprotonen

Das magnetische Moment eines einzelnen Protons ist unvorstellbar klein, aber es kann dennoch gemessen werden. Vor über zehn Jahren wurde für diese Messung der...

Im Focus: New proton record: Researchers measure magnetic moment with greatest possible precision

High-precision measurement of the g-factor eleven times more precise than before / Results indicate a strong similarity between protons and antiprotons

The magnetic moment of an individual proton is inconceivably small, but can still be quantified. The basis for undertaking this measurement was laid over ten...

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungen

Forschungsschwerpunkt „Smarte Systeme für Mensch und Maschine“ gegründet

24.11.2017 | Veranstaltungen

Schonender Hüftgelenkersatz bei jungen Patienten - Schlüssellochchirurgie und weniger Abrieb

24.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Maschinen über die eigene Handfläche steuern: Nachwuchspreis für Medieninformatik-Student

24.11.2017 | Förderungen Preise

Treibjagd in der Petrischale

24.11.2017 | Biowissenschaften Chemie