Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 04.04.2011

Weiterführung eines Gedankenexperiments von Einstein – Physiker erzeugen Quanten-Überlagerungszustände

Wer vor einem Spiegel steht, hat sicher kein Problem, sich selbst von seinem Spiegelbild zu unterscheiden. Auf unsere Bewegungsmöglichkeiten hat der Spiegel keinen Einfluss. Bei quantenphysikalischen Teilchen ist das komplizierter. In einer aufsehenerregenden Forschungsarbeit in den Laboren der Universität Heidelberg gelang es Heidelberger Physikern gemeinsam mit Forschern der Technischen Universität München sowie der Technischen Universität Wien, ein Gedankenexperiment von Einstein im Labor weiterzuführen und den Unterschied zwischen einzelnen Teilchen und ihren Spiegelbildern verschwimmen zu lassen. Die Ergebnisse des Experimentes wurden nun im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Wenn ein Atom spontan in eine bestimmte Richtung ein Lichtteilchen aussendet, erfährt es einen Rückstoß in die Gegenrichtung. Misst man das Lichtteilchen, kennt man daher auch den Bewegungszustand des Atoms. Das Forscherteam platzierte Atome wenige Millionstel Meter vor einem vergoldeten Spiegel – in diesem Fall gibt es für ein Lichtteilchen, das zum Beobachter gelangt, zwei mögliche Wege: Es kann direkt vom Atom zum Beobachter gekommen sein, oder es wurde in die entgegengesetzte Richtung ausgesandt, ist auf den Spiegel getroffen und dann zum Beobachter gelangt. Wenn man zwischen diesen beiden Fällen nicht unterscheiden kann, befindet sich das Atom in einer Überlagerung beider Wege.

„Bei einem sehr kleinen Abstand zwischen Atom und Spiegel kann zwischen den beiden Möglichkeiten ganz prinzipiell nicht mehr unterschieden werden“, erklärt Jiri Tomkovic, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Markus Oberthaler an der Universität Heidelberg. Ursprungsteilchen und Spiegelbild sind physikalisch nicht mehr voneinander zu trennen. Das Atom bewegt sich gleichzeitig auf den Spiegel zu und vom Spiegel weg. Was paradox klingt und für makroskopische Teilchen unmöglich ist, kennt man in der Quantenphysik schon lange.

„Diese Unsicherheit über den Bewegungszustand des Atoms bedeutet nicht, dass wir nicht genau genug gemessen haben“, betont Prof. Dr. Jörg Schmiedmayer von der TU Wien. „Das ist eine grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik: Das Teilchen befindet sich in beiden Bewegungszuständen gleichzeitig, es ist in einem Überlagerungszustand.“ Im Experiment werden die Bewegungszustände, die das Atom gleichzeitig einnimmt – hin zum Spiegel und weg vom Spiegel – durch sogenannte Bragg-Streuung an einem Gitter aus Laserlicht wieder kombiniert. Dadurch lässt sich beweisen, dass sich das Atom tatsächlich in einem Überlagerungszustand befand.

Dies erinnert an das berühmte Doppelspaltexperiment, in dem ein Teilchen auf eine Platte mit zwei Öffnungen geschossen wird – und aufgrund seiner quantenmechanischen Welleneigenschaften durch beide Öffnungen gleichzeitig tritt. Schon Einstein machte sich darüber Gedanken, dass das nur dann möglich ist, wenn durch keine mögliche Messung entschieden werden kann, welchen Weg das Teilchen genommen hat, auch nicht durch Vermessung von winzigen Bewegungen der Doppelspalt-Platte. Sobald durch irgendein Experiment auch nur theoretisch feststellbar wäre, für welchen Weg sich das Teilchen entschieden hat, ist es vorbei mit der Quanten-Überlagerung. „In unserem Fall spielen die Lichtteilchen eine ähnliche Rolle wie ein Doppelspalt“, meint Prof. Oberthaler von der Universität Heidelberg. „Wenn das Licht prinzipiell darüber Auskunft geben kann, in welche Richtung sich das Atom bewegt, dann ist auch der Zustand des Atoms festgelegt. Nur wenn das grundsätzlich unentscheidbar ist, befindet sich das Atom in einem Überlagerungszustand, der beide Möglichkeiten vereint.“ Und genau diese Unentscheidbarkeit wird durch den Spiegel gewährleistet.

Auszutesten, unter welchen Bedingungen solche Quanten-Überlagerungen zu erkennen sind, ist eine wichtige Forschungsfrage in der Quantenphysik: Nur so lassen sich diese Effekte auch gezielt nutzen. Die Idee für dieses Experiment wurde von Jörg Schmiedmayer und Markus Oberthaler bereits vor einigen Jahren entwickelt. „Das Faszinierende daran ist“, so die Forscher, „die Möglichkeit, einen Überlagerungszustand einfach durch die Anwesenheit eines Spiegels zu erzeugen, ganz ohne Eingriff durch äußere Felder.“ Das Teilchen und sein Spiegelbild geraten ganz von selbst in eine quantenphysikalische Beziehung zueinander – ganz ohne aufwendiges Zutun der Wissenschaftler.

Originalveröffentlichung:
J. Tomkovič, M. Schreiber, J. Welte, M. Kiffner, J. Schmiedmayer & M.K. Oberthaler: Single spontaneous photon as a coherent beamsplitter for an atomic matter-wave. Nature Physics. Published online: 03 April 2011
doi: 10.1038/nphys1961

Externer Link: www.uni-heidelberg.de

Presseinformation der Universität Innsbruck vom 01.04.2011

Quantencomputer: Innsbrucker Physiker verschieben Grenze des bislang Möglichen

Einen neuen Weltrekord haben Quantenphysiker der Universität Innsbruck erzielt: Sie konnten 14 Quantenbits kontrolliert miteinander verschränken und realisieren so das größte bisher gebaute Quantenregister. Das Experiment ist nicht nur ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem zukünftigen Quantencomputer, es liefert auch überraschende Erkenntnisse über das quantenmechanische Phänomen der Verschränkung.

Der Begriff der Verschränkung wurde 1935 vom österreichischen Nobelpreisträger Erwin Schrödinger geprägt und beschreibt ein quantenmechanisches Phänomen, das im Experiment eindeutig nachgewiesen werden kann, das aber bis heute nicht gänzlich verstanden wird. Verschränkte Teilchen können nicht als einzelne Teilchen mit definierten Zuständen beschrieben werden, sondern nur als Gesamtsystem. Die Verschränkung von einzelnen Quantenbits lässt den Quantencomputer bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als klassische Computer. „Besonders schwierig wird es, Verschränkung zu verstehen, wenn zahlreiche Teilchen im Spiel sind“, sagt Thomas Monz, Nachwuchsforscher im Team von Rainer Blatt am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Unsere Experimente mit vielen Teilchen verschaffen uns hier neue Einblicke“, ergänzt Blatt.

Weltrekord: 14 Quantenbits

Die Physiker um Rainer Blatt halten seit 2005 den Rekord für die Anzahl von verschränkten Quantenbits, die in einem Experiment realisiert wurden. Bis heute ist es niemand anderem gelungen, acht Teilchen auf kontrollierte Art und Weise zu verschränken und damit ein „Quantenbyte“ zu erzeugen. Nun haben die Innsbrucker Wissenschaftler diesen Rekord noch einmal beinahe verdoppelt. In einer Ionenfalle haben sie 14 Kalziumatome gefangen, welche sie, einem Quantenprozessor gleich, mit Laserlicht manipulieren. Interne Zustände jedes Atoms bilden dabei einzelne Quantenbits, zusammen entsteht ein Quantenregister mit 14 Recheneinheiten. Dieses bildet das Herzstück eines zukünftigen Quantencomputers. Die Physiker der Universität Innsbruck stellten aber auch fest, dass bei ihnen die Störungsempfindlichkeit nicht wie meist angenommen linear sondern mit der Anzahl der Teilchen quadratisch zunimmt. Werden mehrere Teilchen verschränkt, steigt die Empfindlichkeit deshalb stark an. „Dies wird als Superdekohärenz bezeichnet“, sagt Thomas Monz. „In der Quanteninformation wurde dieses Phänomen bisher kaum wahrgenommen.“ Es hat nicht nur für den Bau von Quantencomputern Bedeutung, sondern auch bei der Konstruktion sehr genauer Atomuhren oder für Quantensimulationen.

Zahl der verschränkten Teilchen ausbauen

Die Experimentalphysiker in den Innsbrucker Labors schaffen es mittlerweile, bis zu 64 Teilchen in Ionenfallen zu fangen. „Noch können wir diese große Zahl von Ionen nicht verschränken“, sagt Thomas Monz. „Die aktuellen Ergebnisse ermöglichen nun aber ein besseres Verständnis über das Verhalten von vielen verschränkten Teilchen.“ So können vielleicht schon bald noch mehr Teilchen miteinander verschränkt werden. Vor wenigen Wochen haben die Forscher um Rainer Blatt in der Fachzeitschrift Nature außerdem erstmals gezeigt, dass Ionen auch mittels elektromagnetischer Kopplung verschränkt werden könnten. So lassen sich viele kleine Quantenregister auf einem Mikrochip effizient miteinander verknüpfen. „Dies sind alles wichtige Schritte auf dem Weg zu alltagstauglichen Quantentechnologien für die Informationsverarbeitung“, ist Rainer Blatt überzeugt.

Die aktuellen Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Finanziell unterstützt werden die Innsbrucker Forscher unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Kommission und der Tiroler Industrie.

Publikation:
14-Qubit Entanglement: Creation and Coherence. Thomas Monz, Philipp Schindler, Julio T. Barreiro, Michael Chwalla, Daniel Nigg, William A. Coish, Maximilian Harlander, Wolfgang Hänsel, Markus Hennrich, Rainer Blatt. Phys. Rev. Lett. 106, 130506 (2011) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.130506

Externer Link: www.uibk.ac.at