Donnerstag, 24. Oktober 2013

Saarbrücker Physiker wollen Übergang zur Quantenwelt sichtbar machen


Symbolbild: Künstlerische Interpretation von Lichtquanten (Illu.). | Copyright: grewi.de

Saarbrücken (Deutschland) - Ein neues Mikro-Labor soll Physikern der Universität des Saarlandes neue Einblicke in die Welt der Quanten ermöglichen, dessen mathematisches Modell sie entwickelt haben. Insgesamt sollen darin 100 Lichtquanten samt ihren komplexen quantenmechanischen Beziehungen, den sogenannten "Verschränkungen" gleichzeitig untersucht werden - so viele wie nie zuvor. Die Forscher erwarten von ihren Experimenten neue Erkenntnisse beispielsweise für den Quantencomputer. Als weltweit erste Gruppe nutzen sie dafür ein Metamaterial, ein maßgefertigtes Gitter aus Nanostrukturen, das Licht stärker bricht als jeder natürliche Stoff.

Wie die Forscher um den Theoretische Physiker Frank Wilhelm-Mauch aktuell im Fachjournal "Physical Review Letters" (DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.163601) berichten, gelten in der für uns erlebbaren Welt zwar die Gesetze der Physik, etwa der Umstand, dass ein Auto zur selben Zeit auch immer nur an einem Ort sein kann, und dieser Ort etwa durch die Geschwindigkeit des Wagens genau bestimmt werden kann. "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", erläutert die Pressemitteilung der Universität.


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Über diesen Übergang dieser "zwei Welten", an dem Naturgesetze enden und Quantengesetze beginnen, ist bis heute erst wenig bekannt. "Die Welt der Quanten lässt sich nicht einfach auf genau vermessbare, große Systeme übertragen", erklärt Frank Wilhelm-Mauch.


Anhand von mathematischen Methoden haben die Theoretischen Physiker ein Mikro-Labor entwickelt, das auf den ersten Blick einem Stück gewöhnlichem Antennenkabel ähnelt, mit dem es aber möglich sein soll, genau jenen besagten 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 waren solche Versuche immer verlustreich. So kann bislang 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 also immer nur einen einzigen der Zustände und nicht alle.


"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", erläutert Wilhelm-Mauch.


Hierzu überlisten die Wissenschaftler die Gesetze der klassischen Optik, in dem sie die Quantenoptik mit so genannten "linkshändigen Medien" kombinieren und hierfür Lichtteilchen durch ein "Metamaterial" leiten. Derartige 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 zugleich beeinflusst werden.


Ein solches Gitter für Photonen der Mikrowellenstrahlung haben die Forscher nun mathematisch maßgeschneidert und so eine Qualität erreicht, mit der erstmals quantenoptische Untersuchungen möglich sind. Dieses Metamaterial besteht aus einer Reihenschaltung winziger Kondensatoren und Spulen. Mit diesem Wellenleiter können sehr viele Photonen auf kleinsten Raum gepackt und im Kabel geführt werden und so quantenoptische Messungen durchgeführt werden.


Besonders der Übergang zur Quantenwelt ist für die Wissenschaftler interessant, da das Wissen über diese Schnittstelle das Wissen über unsere Welt genauer machen kann, 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 am Prototyp des Labors.


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Quelle: uni-saarland.de
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