Wissenschaftler demonstrieren „Quantenwanderung“ an einzelnen gefangenen Ionen Quanten-Odyssee in der Ionenfalle - scinexx | Das Wissensmagazin
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Wissenschaftler demonstrieren „Quantenwanderung“ an einzelnen gefangenen Ionen

Quanten-Odyssee in der Ionenfalle

In einem Quantenirrgarten liegen alle Wege in einem Superpositionszustand vor und können daher gleichzeitig beschritten werden. Die als Folge der Überlagerung auftretenden Interferenzen führen zu seltsamen Phänomenen wie der Selbstbegegnung des Quantenwanderers. Mit diesen „Tricks“ kann der Ausgang aus dem Irrgarten, z.B. die gesuchte Lösung eines Algorithmus oder auch die effizienteste Form von Energietransfer in Pflanzen, um ein Vielfaches schneller als auf klassische Weise gefunden werden. © Tobias Schätz / MPQ

Max-Planck-Wissenschaftler haben erstmals das Phänomen der Quantenwanderung an einzelnen gefangenen Ionen demonstriert. Über die Ergebnisse ihres neuen Experiments berichten sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“.

Viele klassische Rechenalgorithmen beinhalten so genannte „random walks“, bei denen mögliche Lösungswege nach dem Zufallsprinzip ausgewählt werden. Solche Algorithmen finden in einer Reihe von Gebieten eine Anwendung – zum Beispiel in der Physik, Biologie, in den Wirtschaftswissenschaften oder sogar in der Psychologie.

Überträgt man random walks auf Quantensysteme, dann erübrigen sich solche Entscheidungsfindungen. Denn im Unterschied zum klassischen Verfahren liegen die in Frage kommenden Pfade in einem Superpositionszustand vor, sodass bei „Quantenwanderungen“ alle gleichzeitig beschritten werden können. Die dabei auftretenden Interferenzen führen zu neuartigen Phänomenen: so kann der „Quantenwanderer“ sich beispielsweise an manchen Kreuzungen selbst begegnen.

Unterschied zwischen klassischer und quantenmechanische „Odyssee“ aufgedeckt

Quantum walks könnten zum einen Rechenalgorithmen für Quantensysteme erheblich beschleunigen. Sie könnten aber auch dazu beitragen, den an mesoskopischen Systemen zu Tage tretenden Grenzbereich zwischen der klassischen und der quantenmechanischen Welt besser zu begreifen.

Mit einem neuen Experiment in einer elektromagnetischen Falle haben jetzt Tobias Schätz und seine Mitarbeiter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching erstmals deutlich den Unterschied zwischen der klassischen und der quantenmechanischen „Odyssee“, mit einem Ion als Wanderer, demonstriert.

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Jedes Mal, wenn wir an eine Kreuzung kommen, müssen wir uns – vielleicht per Münzwurf – zwischen mehreren Wegen entscheiden. Nach mehreren Kreuzungen und Entscheidungen werden wir nur einige von vielen möglichen Pfaden gegangen sein. Dabei kann es vorkommen, dass manche Wege häufiger als andere beschritten werden.

Sonderbare Situationen

Im Gegensatz dazu braucht sich ein Quantenwanderer nicht zu entscheiden, denn er hat gar keine Wahl. Bei jedem Münzwurf wird vielmehr eine Superposition von Kopf und Zahl erzeugt, sodass er allen Pfaden gleichzeitig folgen kann. Dabei kann es zu sonderbaren Situationen kommen, zum Beispiel kann der Quantenwanderer, wenn Pfade an späteren Kreuzungen wieder aufeinanderstoßen, sich selbst begegnen.

Aufgrund von Interferenzeffekten kann sich die Wahrscheinlichkeit dafür, an dieser Kreuzung zu sein, erhöhen, aber auch soweit verringern, dass er von dort gänzlich verschwindet.

Im neuen Experiment spielt ein einzelnes Magnesium-Ion, das in einer linearen elektromagnetischen Falle festgehalten wird, die Rolle des Quantenwanderers. Sein Bewegungsgrundzustand ist sozusagen die Ausgangsposition, von der aus es losmarschiert. Durch Einstrahlung von Radiofrequenz-Pulsen legen die Forscher eine Überlagerung von zwei elektronischen Zuständen an. Dieser Vorgang entspricht dem Münzwurf, durch den man eine Superposition von „linker“ und „rechter“ Wegentscheidung – Kopf und Zahl – erhält.

Ultraviolettes Licht „schubst“ an

Den notwendigen Schubs, sich in Bewegung zu setzen, bekommt das Ion durch ultraviolettes Licht einer genau abgestimmten Frequenz. Abhängig von seinem elektronischen Zustand wird das Ion von dem UV-Licht mal nach links und mal nach rechts gestoßen. Da die beiden elektronischen Zustände – Kopf und Zahl – in einem Überlagerungszustand vorliegen, werden auch die beiden Bewegungsmöglichkeiten des Ions – Schritt nach rechts und/oder Schritt nach links – überlagert. Bei der Quantenwanderung sind daher die beiden Münzwerte mit den beiden Bewegungsmöglichkeiten des Ions hochgradig verschränkt.

Die Vorgänge Münzwurf und Positionswechsel werden insgesamt drei Mal wiederholt, erst dann können Quanteneffekte sichtbar werden. Nach Beendigung dieser „Quantenevolution“ messen die Wissenschaftler, ob die Münze Kopf oder Zahl zeigt und auf welcher Position sich das Ion befindet. Dabei wird ausgenutzt, dass das Ion nur in einem der beiden „Münzzustände“ Fluoreszenzlicht aussendet.

Ungleichgewicht beider Richtungen

Nach etwa tausend Messungen erhalten die Physiker so eine statistische Aussage darüber, wie häufig das Ion nach rechts oder links gegangen ist. Ihre Messdaten bestätigen die theoretische Vorhersage eines Ungleichgewichtes beider Richtungen, im Gegensatz zu dem, was man von einem klassischen System erwarten würde.

Das Team von Tobias Schätz hat mit diesem Experiment, bei dem der Wanderer/das Ion alle Wege gleichzeitig gehen darf, deutlich die Unterschiede zum klassischen Gegenstück aufgedeckt: Die Quanteninterferenz verstärkt asymmetrische, nicht-klassische Verteilungen in den miteinander hochverschränkten Münzwurf- und Bewegungszuständen. Derzeit ist die Zahl der Wiederholungsschritte noch durch nichtlineare Effekte begrenzt. Die Wissenschaftler schlagen deshalb ein neues Konzept vor, mit dem sich die Quantenwanderung auf viele, im Prinzip sogar mehrere hundert Schritte ausdehnen lässt.

Viele Anwendungsmöglichkeiten

Quantenwanderungen könnten für eine Reihe von Anwendungen von fundamentalem Interesse sein. So lässt sich die Geschwindigkeit, den richtigen Weg zu finden, unter Umständen gewaltig steigern, wenn man nicht nach dem Zufallsprinzip einen nach dem anderen ausprobieren muss, sondern gleichzeitig alle beschreiten kann. Die Leistungsfähigkeit von Suchalgorithmen in der Informationsverarbeitung könnte dadurch nach Angaben der Forscher erheblich gesteigert werden.

Es gibt desweiteren Überlegungen, dass dieses quantenmechanische Verhalten auch für den Energietransfer in Pflanzen verantwortlich ist, der auf viele Wege verteilt weit effektiver verläuft, als mit klassischen Verfahren erreichbar wäre.

(idw – Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 31.08.2009 – DLO)

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