Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Saarbrücker Physiker wollen Übergang zur Quantenwelt sichtbar machen

22.10.2013
Neue Einblicke in die Welt der Quanten soll ein Mikro-Labor eröffnen, das der Theoretische Physiker Frank Wilhelm-Mauch und sein Team von der Universität des Saarlandes als mathematisches Modell entwickelt haben.

100 Lichtquanten samt ihren komplexen quantenmechanischen Beziehungen („Verschränkungen“) können in dem Testsystem gleichzeitig untersucht werden, so viele wie nie zuvor. Die Forscher erwarten neue Erkenntnisse etwa für den Quantencomputer.


Schematische Darstellung des „Metamaterials“: Es besteht aus einer Reihenschaltung winziger Kondensatoren und Spulen. Mit diesem Wellenleiter können sehr viele Photonen auf kleinsten Raum gepackt und im Kabel geführt werden. Dies wollen die Forscher für quantenoptische Messungen nutzen.

Grafik: Arbeitsgruppe Frank Wilhelm-Mauch

Als weltweit erste Gruppe nutzen sie für ihr Verfahren ein Metamaterial, ein maßgefertigtes Gitter aus Nanostrukturen, das Licht stärker bricht als jeder natürliche Stoff. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie in den Physical Review Letters.

Ein Auto ist zur selben Zeit an nur einem Ort. Dieser Ort ist genau bestimmbar wie auch die Geschwindigkeit des Wagens: In der Welt, in der wir leben, gelten die uns bekannten Naturgesetze. Aber diese Gesetze – und damit auch die klassische Physik – stoßen in Dimensionen kleiner als ein Atom an eine Grenze. Ab diesem Punkt ist in der Mikrowelt alles anders: Quantenteilchen, auch Photonen oder Lichtquanten genannt, sind gleichzeitig an mehreren Orten und dazu noch verschieden schnell – es gelten die Gesetze der Quantenwelt. Über diesen Übergang der „zwei Welten“, an dem Naturgesetze enden und Quantengesetze beginnen, ist heute wenig bekannt. „Die Welt der Quanten lässt sich nicht einfach auf genau vermessbare, große Systeme übertragen“, erklärt Frank Wilhelm-Mauch.

Der Theoretische Physiker und seine Arbeitsgruppe haben mit mathematischen Methoden ein Mikro-Labor entwickelt, das einem Stück gewöhnlichem Antennenkabel ähnelt, das es aber möglich machen soll, den Übergang der beiden Welten in einem steuerbaren System zu untersuchen. „Wir erwarten, dass die Quanteneigenschaften bei einer bestimmten Größe schwächer werden oder sogar ganz verloren gehen. Um diesen Übergang gezielt zu erforschen und den Quantenzustand gezielt zu untersuchen, stellen wir mit unserem neuartigen Konzept ein sehr großes Testsystem von 100 unterscheidbaren Photonen als Grundlage für Messungen bereit, und zwar ohne, dass ein Photon dabei verloren geht. Das Kabel wird aus supraleitendem Material bestehen und die Untersuchungen erfolgen bei tiefen Temperaturen“, erklärt Professor Wilhelm-Mauch.

Bislang sind solche Unterfangen verlustreich: Von hundert Photonen kann mit den heute existierenden Methoden im Endeffekt nur eines untersucht werden. Da die Lichtquanten gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen, ist eine Messung zudem, sobald sie erfolgt, nur ein winziger Ausschnitt aus einem höchst komplexen Vorgang: Der Messwert beschreibt immer nur einen einzigen der Zustände. „Aus diesem Grund machen wir unser Testsystem mit 100 Photonen so groß wie heute möglich, um diese hochverschränkten, also miteinander verwobenen Vorgänge zu untersuchen. Die Messwerte erlauben damit eine erheblich genauere Sicht auf die Abläufe“, erklärt er.

Die Forscher überlisten hierzu die Gesetze der klassischen Optik. Sie kombinieren die Quantenoptik mit so genannten „linkshändigen Medien“ und leiten hierfür Lichtteilchen durch ein „Metamaterial“. Solche Gitter aus Nanostrukturen, an denen schon seit längerem in der klassischen Optik geforscht wird, haben eine besondere Fähigkeit: Licht, das auf sie fällt, wird stärker gebrochen als in der Natur, also wie zum Beispiel von Wasser. Die Winkel der Lichtbrechung können beeinflusst werden. Auch die Saarbrücker Physiker haben mathematisch ein solches Gitter für Photonen der Mikrowellenstrahlung maßgeschneidert, das erstmals gut genug für quantenoptische Untersuchungen ist. Es besteht aus einer Reihenschaltung winziger Kondensatoren und Spulen. Mit diesem Wellenleiter können sehr viele Photonen auf kleinsten Raum gepackt und im Kabel geführt werden. Dies wollen die Forscher für quantenoptische Messungen nutzen.

Vor allem den Übergang zur Quantenwelt zu untersuchen, ist für die Forscher interessant. Das Wissen über diese Schnittstelle kann das Wissen über unsere Welt genauer machen, denn auch – oder gerade – hier haben die Quanten ihre Effekte. So könnten sich neue Möglichkeiten etwa für den Quantencomputer eröffnen: „Wenn wir herausfinden, wie groß ein Quantensystem maximal sein kann, damit es noch quantenmechanischen Gesetzen folgt, könnten wir die Speicherkapazität so groß wie möglich machen“, erklärt Wilhelm-Mauch. Der Theoretische Physiker forscht im internationalen Forschungsnetzwerk „Scaleqit“ am Quantencomputer und hat für diesen bereits einen hocheffizienten Mikrowellen-Detektor entwickelt, der Photonen mit hundertprozentiger Effizienz nachweisen kann. Derzeit arbeiten Wissenschaftler der Universitäten Karlsruhe und Syracuse (USA) am Prototyp des Labors.

Originalpublikation: Daniel Egger, Frank-Wilhelm-Mauch: „Multimode Circuit Quantum Electrodynamics with Hybrid Metamaterial Transmission Lines“
Phys. Rev. Lett. 111, 163601 (2013);
doi: 10.1103/PhysRevLett.111.163601
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i16/e163601
Kontakt: Prof. Dr. Frank Wilhelm-Mauch:
Tel: 0681/302 -2402, -3960, E-Mail: fwm@lusi.uni-sb.de

Claudia Ehrlich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-saarland.de

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