Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Teilchen gleichzeitig nach rechts und nach links fallen

01.08.2014

Heidelberger Physiker entwickeln eine neue Methode zum Nachweis der Quantenverschränkung

Ein Bleistift, der auf der Spitze steht, wird durch eine noch so kleine Störung in die eine oder die andere Richtung kippen. In der Quantenwelt ist es prinzipiell möglich, dass die Teilchen eines Systems gleichzeitig nach links und nach rechts fallen.

Dieses „und“ – die sogenannte Quantenverschränkung der Teilchen – vom klassischen „oder“ zu unterscheiden, stellt eine experimentelle Herausforderung für die Forschung dar. Wissenschaftler des Kirchhoff-Instituts für Physik der Universität Heidelberg haben nun eine neue und allgemeine Methode entwickelt, die den Nachweis der Verschränkung für beliebige Zustände von großen atomaren Systemen erlaubt. Die Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Quantenmetrologie wurden in „Science“ veröffentlicht.

In seinen Experimenten nutzte das Team unter der Leitung von Prof. Dr. Markus Oberthaler den klassisch instabilen Zustand eines ultrakalten atomaren Gases, eines sogenannten Bose-Einstein-Kondensats. Dabei handelt es sich um den extremen Aggregatzustand eines Systems nicht unterscheidbarer Teilchen, die sich überwiegend im selben quantenmechanischen Zustand befinden.

Die Heidelberger Forscher verwendeten ein Gas aus rund 500 Atomen mit Temperaturen von 0,00000001 Kelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Nach kurzer Zeit entwickelt sich daraus ein System mit hoher Teilchenverschränkung.

Um diesen „Und“-Zustand mit seinen besonderen quantenmechanischen Eigenschaften experimentell nachweisen zu können, musste das Team eine Vielzahl dieser atomaren Systeme unter gleichen Bedingungen bei jeweils verschiedenen Einstellungen des Laboraufbaus realisieren.

„Dieses Vorgehen erforderte Messungen über mehrere Wochen, in denen die Schwankungen des von uns eingesetzten Magnetfelds unter ein Zehntausendstel des Erdmagnetfelds reduziert werden mussten“, erläutert der Erstautor der Studie, Helmut Strobel.

Eine zweite Herausforderung stellte die richtige Analyse der Messungen dar. Dazu mussten neue statistische Konzepte entwickelt werden. Ziel war es, aus den Daten der Messungen den für die Quantenmetrologie relevanten Informationsgehalt herauszufiltern.

Diese sogenannte Fisher-Information, die nach dem Genetiker und Statistiker Ronald A. Fisher benannt ist, quantifiziert auf eindeutige und allgemeine Weise die sensitive Abhängigkeit des jeweiligen quantenmechanischen Zustands von den metrologisch relevanten Messgrößen.

Bei einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat dieser Größe ist dies mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich, wie Markus Oberthaler erläutert. Die neue Methode ist darüber hinaus auf noch größere Systeme anwendbar. „Wir können damit beliebige experimentelle Quantenzustände daraufhin untersuchen, ob sie sich für präzisere Messungen eignen als klassisch möglich“, so Prof. Oberthaler. „Dabei handelt es sich um ein hochaktuelles Thema auf dem Gebiet der Quantenmetrologie.“

Markus Oberthaler leitet am Kirchhoff-Institut für Physik die Arbeitsgruppe Synthetische Quantensysteme. An den Forschungsarbeiten waren Wissenschaftler des Forschungszentrums Quantum Science and Technology in Arcetri (QSTAR) und des European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy (LENS) beteiligt.

Informationen im Internet:
http://www.kip.uni-heidelberg.de/matterwaveoptics

Originalpublikation:
H. Strobel, W. Muessel, D. Linnemann, T. Zibold, D.B. Hume, L. Pezzè, A. Smerzi, M.K. Oberthaler: Fisher information and entanglement of non-Gaussian spin states. Science 25 July 2014: Vol. 345 no. 6195 pp. 424-427, doi: 10.1126/science.1250147

Kontakt:
Prof. Dr. Markus Oberthaler
Kirchhoff-Institut für Physik
Telefon (06221) 54-5170
markus.oberthaler@kip.uni-heidelberg.de

Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten