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Sonntag, 20.04.2014

Erster Nachweis für Chaos in der Quantenwelt

Experiment weist lange gesuchten „Fingerabduck“ chaotischen Verhaltens in einem Quantensystem nach

Zum ersten Mal haben Forscher die „Fingerabdrücke” eines klasssischen Chaos auch in der Quantenwelt nachgewiesen. Das jetzt in „Nature“ beschrieben Experiment mit Cäsiumatomen stellt den lange gesuchten Beweis für die Existenz dieses Phänomens sowohl in der klasssischen als auch in der Quantenphysik dar.
Schnappschuss des Cäsium-Spin-Zustands nach 40 Zyklen

Schnappschuss des Cäsium-Spin-Zustands nach 40 Zyklen

In der Welt, die wir täglich erleben, scheint Chaos manchmal eher die Regel denn die Ausnahme zu sein. Tatsächlich spielen chaotische Systeme beispielsweise beim Wetter und Klima, aber auch in neuronalen Netzwerken oder an der Börse eine entscheidende und prägende Rolle. Diese Systeme sind so komplex, dass winzige Auslöser wie der berühmte „Flügelschlag eines Schmetterlings“ unberechenbare Auswirkungen haben können. Dies alles gilt aber bisher nur in der Welt der klassischen Physik. Ob es auch im Reich der kleinsten Teilchen, der Quantenphysik, ein solches klassisches Chaos gibt, war bisher unbekannt.

Das Problem: Die Quantenwelt wird von Unsicherheiten dominiert: Ein Atom kann sich hier sowohl als Welle als auch als Teilchen verhalten. Dies bedingt aber, dass sich seine Position und Geschwindigkeit nicht gleichzeitig bestimmen lassen, ohne sie zu verändern. Und das ist das Problem: Denn wenn der Startpunkt eines Quantenteilchen nicht bekannt ist, lässt sich auch nicht feststellen, ob es entsprechend den Bedingungen des klassischen Chaos auf Störungen reagiert.

Spin eines Cäsiumatoms als Testsystem


Jetzt aber haben Wissenschaftler um Poul Jessen, Professor für Quantenphysik an der Universität von Arizona eine Reihe von Experimenten durchgeführt, die zeigen, dass das klassische Chaos sehr wohl in die Quantenwelt hinüber „schwappt“. Als Basis nutzten sie ein Quantensystem, dass das Lehrbuch-Beispiel für Chaos, das so genannte „kicked Top“ oder Magnetpendel, imitieren sollte. Die Wissenschaftler manipulierten dabei den Spin von einzelnen lasergekühlten Cäsiumatomen.

„Stellen Sie sich das vor als ein mikroskopisches Magnetpendel, das sich in konstanter Geschwindigkeit um seine Achse dreht“, erklärt Jessen. Anstelle der Magnete, die normalerweise das Pendel stören und zu chaostische Bewegungen anregen, veränderten die Forscher die Spinachse des Atoms in einer Reihe von magnetischen „Kicks“ und „Drehungen“ per Laserlicht. Am Ende jedes Manipulations-Zyklus bildeten sie den Quantenzustand des Atomspins mit Hilfe einer Art tomografischen Technik ab. Im Prinzip erhielten sie dadurch Einzelaufnahmen und Stop-Motion-Filme, die zeigten, wie sich das drehende Atom verhielt.

Pendeln zwischen Stabilitität und Chaos


Und es zeigte sich Überraschendes: Der Spin des Atoms folgte offenbar den gleichen Grenzen zwischen Stabilität und Chaos, die auch das makroskopische Experiment charakterisieren: In den gleichen Bereichen verhielt es sich dynamisch stabil, in anderen dynamisch unberechenbar. Das Quantensystem blieb in den stabilen Phasen jeweils unverschränkt, in den chaotischen aber verschränkt. Für die Forscher ist dies der erste klare „Fingerabdruck“ des klassischen Chaos im Reich der Quantenmechanik.

Als Verschränkung bezeichnet man in der Quantenphysik einen Zustand, in dem zwei räumlich getrennte Teilchen über eine Art „spukhafte Fernwirkung“ wie es Albert Einstein bezeichnete, durch den Zustand des jeweils anderen beeinflusst werden. Ändert man beispielsweise die Polarisation eines Photons in einem solchen Paar verschränkter Teilchen, kippt auch die des anderen um.

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