Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker der Saar-Uni zeigen, wie man empfindliche Quantensysteme stabilisiert

03.12.2015

Die Quantenphysik birgt technologische Möglichkeiten, die mit heutigen Technologien nicht zu vergleichen sind: Quantencomputer beispielsweise könnten Probleme viel schneller als heutige Rechner lösen. Die Crux ist aber, dass Quanten-Systeme höchst instabil sind. Ihren Zustand so zu halten, dass sie nutzbar sind, ist derzeit eine der größten Herausforderungen der Physik. Den Saarbrücker Physikern Giovanna Morigi und Jürgen Eschner ist es gemeinsam mit dem Physik-Nobelpreisträger von 2012, David Wineland, und seinen Mitarbeitern gelungen, eine Methode zu beschreiben, die ein solches System stabilisiert. Sie haben diese Methode in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Der Quantenphysik liegt ein Prinzip zugrunde, das für Nicht-Physiker schwer nachzuvollziehen ist: Ein Teilchen, zum Beispiel ein Lichtteilchen (Photon) oder ein Atom, befindet sich nicht in einem eindeutigen Zustand, sondern kann zu einem bestimmten Zeitpunkt zwei Zustände zugleich einnehmen.

Auf die Computertechnologie übertragen bedeutet das zum Beispiel, dass die Bits, aus denen eine Information auf einem normalen Computer besteht, die Zustände 1 oder 0 haben können, auf einem Quantencomputer hingegen die Zustände 1 und 0 gleichzeitig, in jeder beliebigen Kombination. Ein Quantencomputer kann in derselben Zeit, in der ein herkömmlicher 32-Bit-Rechner einen seiner 2 hoch 32 möglichen Zustände verarbeitet, parallel alle diese Zustände verarbeiten.

Den Zustand eines Systems solcher Teilchen nennen Physiker „verschränkt“. Das Quantensystem hat dabei eine wichtige Eigenschaft: Untersucht man den Zustand eines Teilchens im System, kennt man automatisch den Zustand des gesamten Systems. Die Teilchen in diesem verschränkten Zustand zu halten, ist allerdings sehr schwierig und eine der größten Herausforderungen für die zeitgenössische Physik. Bereits winzigste äußere Einflüsse können das Quantensystem zerstören, und die vorteilhaften Eigenschaften sind dahin.

„Methoden zur robusten Erzeugung solcher Zustände sind also sehr gesucht. Dies ist vergleichbar mit einer Konstruktionsvorschrift für ein Leichtbauboot, welches auch bei schwerem Sturm ruhig seinen Kurs hält”, erklären Giovanna Morigi (Professorin für Theoretische Quantenphysik an der Universität des Saarlandes) und Jürgen Eschner (Professor für Quanten-Photonik, ebenfalls Universität des Saarlandes). Gemeinsam mit dem Physik-Nobelpreisträger David Wineland (National Institute of Standards and Technology, Boulder/Colorado) und weiteren Physikern beschreiben sie nun ein System aus vier Atomen, das in einen verschränkten Zustand übergeht und stabil dort bleibt.

Die Forscher schlagen vor, das Quantensystem mit einer gezielten Sequenz von Laser-Impulsen energetisch anzuregen. Das alleine würde aber nicht reichen, um die Verschränkung stabil zu halten. „Gleichzeitig wird das System mit einem weiteren Laser gekühlt“, ergänzen die Wissenschaftler, die gemeinsam ein Forschungssemester bei David Wineland verbracht haben. Der besondere Effekt der Methode besteht darin, dass die Laserkühlung, welche normalerweise die Verschränkung zunichte macht, hier im Zusammenwirken mit den Pulsen den umgekehrten Effekt entwickelt, diese zu stabilisieren.

Die Erkenntnisse, die das internationale Forscherteam gewonnen hat, sind wichtige Grundlagen für weiterführende Forschungen: Die Gruppe von David Wineland entwickelt Atomuhren, die Quantentechnologien wie eben die Verschränkung mehrerer Atome zur präziseren Zeitmessung ausnutzen. Die Gruppen von Giovanna Morigi und Jürgen Eschner arbeiten an Techniken zur Quantenkommunikation, welche auf der Verschränkung zwischen Atomen und Photonen beruhen.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Jürgen Eschner
Tel. (0681) 30258016
E-Mail: juergen.eschner@physik.uni-saarland.de

Prof. Dr. Giovanna Morigi
Tel.: (0681) 30257472
E-Mail: giovanna.morigi@physik.uni-saarland.de

Der Aufsatz „Dissipative Quantum Control of a Spin Chain“ erschien am 13. November in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.200502

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.200502

Thorsten Mohr | Universität des Saarlandes
Weitere Informationen:
http://www.uni-saarland.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Fernsteuerung für alles Kleine
19.11.2019 | Technische Universität Wien

nachricht Atome hüpfen nicht gerne Seil
19.11.2019 | Universität Innsbruck

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: Eine Fernsteuerung für alles Kleine

Atome, Moleküle oder sogar lebende Zellen lassen sich mit Lichtstrahlen manipulieren. An der TU Wien entwickelte man eine Methode, die solche „optischen Pinzetten“ revolutionieren soll.

Sie erinnern ein bisschen an den „Traktorstrahl“ aus Star Trek: Spezielle Lichtstrahlen werden heute dafür verwendet, Moleküle oder kleine biologische Partikel...

Im Focus: Atome hüpfen nicht gerne Seil

Nanooptische Fallen sind ein vielversprechender Baustein für Quantentechnologien. Forscher aus Österreich und Deutschland haben nun ein wichtiges Hindernis für deren praktischen Einsatz aus dem Weg geräumt. Sie konnten zeigen, dass eine besondere Form von mechanischen Vibrationen gefangene Teilchen in kürzester Zeit aufheizt und aus der Falle stößt.

Mit der Kontrolle einzelner Atome können Quanteneigenschaften erforscht und für technologische Anwendungen nutzbar gemacht werden. Seit rund zehn Jahren...

Im Focus: Der direkte Weg zur Phosphorverbindung: Regensburger Chemiker entwickeln Katalysemethode

Wissenschaftler finden effizientere und umweltfreundlichere Methode, um Produkte ohne Zwischenstufen aus weißem Phosphor herzustellen.

Pflanzenschutzmittel, Dünger, Extraktions- oder Schmiermittel – Phosphorverbindungen sind aus vielen Mitteln für den Alltag und die Industrie nicht...

Im Focus: Atoms don't like jumping rope

Nanooptical traps are a promising building block for quantum technologies. Austrian and German scientists have now removed an important obstacle to their practical use. They were able to show that a special form of mechanical vibration heats trapped particles in a very short time and knocks them out of the trap.

By controlling individual atoms, quantum properties can be investigated and made usable for technological applications. For about ten years, physicists have...

Im Focus: Neu entwickeltes Glas ist biegsam

Eine internationale Forschungsgruppe mit Beteiligung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften hat ein Glasmaterial entwickelt, das sich bei Raumtemperatur bruchfrei verformen lässt. Das berichtet das Team aktuell in "Science". Das extrem harte und zugleich leichte Material verspricht ein großes Anwendungspotential – von Smartphone-Displays bis hin zum Maschinenbau.

Gläser sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Welt. Dabei handelt es sich im Alltag meist um sauerstoffhaltige Gläser, wie sie etwa für Fenster und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage 2020: „Mach es einfach!“

18.11.2019 | Veranstaltungen

Humanoide Roboter in Aktion erleben

18.11.2019 | Veranstaltungen

1. Internationale Konferenz zu Agrophotovoltaik im August 2020

15.11.2019 | Veranstaltungen

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

Neuer Weg entdeckt, um Killerzellen «umzuprogrammieren»

19.11.2019 | Biowissenschaften Chemie

Supereffiziente Flügel heben ab

19.11.2019 | Materialwissenschaften

Energiesysteme neu denken - Lastmanagement mit Blockheizkraftwerk

19.11.2019 | Energie und Elektrotechnik

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