Quantenkommunikation, Quantentests und Zeitkristalle

  • 28. December 2017

Jahresrückblick Atom-, Molekül-, Quanten- und Fest­körper­physik 2017

Der Weg zu einem universellen Quantencomputer, der mit tausenden von Quantenbits („Qubits“) fehlerfrei rechnet, ist noch weit. Doch es gibt für das vergangene Jahr Fortschritte zu vermelden. Dabei liefern sich die Atomphysiker und ihre Kollegen aus der Festkörperphysik ein spannendes Rennen. So bietet IBM jetzt kaufkräftigen Kunden den IBM Q an, einen Festkörper-Quantencomputer mit zwanzig „supraleitenden“ Qubits. Ein Quantengatter auf Siliziumbasis, bei dem die Siliziumelektronen zunächst zwei Qubits speichern, wurde an der Universität Konstanz entwickelt.

Abb.: Das Hubbard-Modell hat ein reiches Phasendiagramm (oben), aufgespannt durch „Temperatur“ und „Doping“, wobei die mittlere Teilchendichte längs der x-Achse abnimmt. Unten: Ein Mikroskop macht die Besetzung der Gitterplatze mit Atomen und deren Spinrichtung sichtbar. In einem Zwischenschritt werden die Atome einer Spinrichtung entfernt. Der offenbar antiferromagnetische Zustand ist im Phasendiagramm mit einem Stern markiert. (Bild: A. Mazurenko et al. / NPG)

Abb.: Das Hubbard-Modell hat ein reiches Phasen­diagramm, aufge­spannt durch „Tempe­ratur“ und „Doping“, wobei die mitt­lere Teil­chen­dichte längs der x-Achse ab­nimmt. (Bild: A. Mazu­ren­ko et al. / NPG)

Bei der Entwicklung von Quantencomputern für spezielle Aufgaben haben die Atomphysiker die Nase vorn. Sie simulieren mit ultrakalten fermionischen Atomen, die in Lichtgittern festgehalten werden, das Hubbard-Modell, mit dem man viele wichtige Phänomene in der Festkörperphysik beschreiben kann. So haben Forscher in Harvard und in Princeton wichtige Erkenntnisse gewonnen. Und ein mit 53 aufgereihten Atomen bestückter Simulator hat sichtbar gemacht, wie sich ein eindimensionaler Ising-Quantenmagnet verhält, der durch ein sich plötzlich änderndes Magnetfeld aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Hier ist allerdings die 2016 am NIST in Boulder durchgeführte Simulation des Ising-Modells mit 219 Ionen noch immer von der Zahl der Spins her unübertroffen.

Nützliche Bose-Einstein-Kondensate

Dass die Möglichkeiten von Bose-Einstein-Kondensaten aus ultrakalten Atomen noch längst nicht ausgeschöpft sind, zeigten mehrere Experimente. Mit einem Kondensat aus vierzig Millionen-Rubidiumatomen haben Forscher der Stanford University extrem schwache Magnetfelder gemessen. Dabei konnten sie die Feldstärke anhand der Verteilung der Atome in der Kondensatwolke ermitteln. Auf diese Weise könnte man auch extrem schwache Ströme nachweisen.

Ein „Bose-Einstein-Feuerwerk“ wurde an der University of Chicago entdeckt. Dabei traten in einem Kondensat atomare Kollisionen in stimulierter Weise auf, ähnlich der stimulierten Photonenerzeugung in einem Laser. Die lawinenartigen Zusammenstöße führten dazu, dass aus dem Kondensat Materiestrahlen herausschossen. Auf diese Weise könnte man exotische Materiezustände soweit verstärken, dass sie als intensive Strahlen nachweisbar werden.

Ebenfalls an der University of Chicago wurde eine Mischung aus ultrakalten bosonischen Cäsium- und fermionischen Lithiumatomen hergestellt, die sich als unerwartet stabil erwies. An ihr lassen sich neuartige Vielteilcheneffekte untersuchen, etwa wie sich ein Bose-Einstein-Kondensat in einem „Fermi-See“ bewegt oder wie es seinerseits Fermi-Teilchen einfängt.

Bosonenfalle

Abb.: Bei stark anziehenden Kräften zwischen beiden Teil­chen­sorten bleiben die Lithium-Atome (rot) im Cäsium-Bose-Einstein-Kondensat (blau) gefangen. (Bild: B. J. DeSalvo et al. / APS)

Präzisionsmessungen

Im vergangenen Jahr wurden zahlreiche Präzisionsmessungen an oder mit Atomen durchgeführt. Neben praktischen Anwendungen wie noch genaueren Atomuhren gibt dies auch tiefe Einblicke in die physikalischen Grundlagen und es stellt alternative Theorien auf den Prüfstand. So haben Forscher an der University of California, Berkeley, mit einem Atominterferometer das Gravitationsfeld eines zentimetergroßen Metallhohlzylinders gemessen. Dazu wurde die Materiewelle eines Atoms, das durch den Hohlzylinder flog, in Teilwellen aufgespalten und diese wurden wieder Interferenz gebracht. Anhand des Interferenzsignals ließ sich die Möglichkeit des Vorhandenseins von Dunkler Energie erheblich einschränken. Dieselben Forscher haben mit einer leicht abgewandelten Versuchsanordnung erstmals gezeigt, dass die Schwarzkörperstrahlung des aufgeheizten Hohlzylinders die Atome äußerst schwach und im Einklang mit den Vorhersagen der Theorie anzieht.

Seit einigen Jahren sind sich Atom- und Kernphysiker darüber uneins, wie groß das Proton ist. Während man aus zahllosen kernphysikalischen Experimenten ziemlich genau die Größe des Protons zu kennen glaubte, hatten Präzisionsmessungen an myonischem Wasserstoff, der statt eines Elektrons ein massereicheres Myon enthält, stets einen deutlich kleineren Wert für den Protonendurchmesser ergeben. Bei extrem genauen Messungen einer bestimmten Anregungsenergie des normalen Wasserstoffs hat sich diese „Schrumpfung des Protons“ jetzt bestätigt. Es besteht also weiterhin Klärungsbedarf.

Eine extrem präzise und stabile optische Atomuhr, die mit einem Gas aus fermionischen Strontiumatomen arbeitet, ist am NIST in Boulder entwickelt und getestet worden. Dazu wurden tausende von Atomen in einem dreidimensionalen Lichtgitter eingefangen und mit einem Laser angeregt, der auf einen bestimmten optischen Übergang der Atome abgestimmt war. Die dabei erreichte Präzision der Frequenz war hundertmal größer als die der gängigen Cäsiumatomuhren.

Abb.: Diese Vakuumapparatur wurde zur Messung der 2S-4P-Übergangsfrequenz in atomarem Wasserstoff genutzt. Das violette Leuchten im Hintergrund stammt aus der Mikrowellenentladung, die Wasserstoff-Moleküle in Wasserstoff-Atome dissoziiert. Das blaue Licht im Vordergrund ist Fluoreszenz vom ultravioletten Laser, der die Atome in den 2S-Zustand anregt. Das türkisfarbene Leuchten ist Streulicht von dem Lasersystem, das zur Frequenzmessung des 2S-4P-Übergangs dient. (Bild: MPQ)

Abb.: Diese Vakuum­apparatur wurde zur Messung der 2S-4P-Übergangs­frequenz in atomarem Wasserstoff genutzt. Das violette Leuchten im Hintergrund stammt aus der Mikrowellen­entladung, die Wasserstoff-Moleküle in Wasserstoff-Atome dissoziiert. Das blaue Licht im Vordergrund ist Fluoreszenz vom ultra­violetten Laser, der die Atome in den 2S-Zustand anregt. Das türkis­farbene Leuchten ist Streulicht von dem Lasersystem, das zur Frequenz­messung des 2S-4P-Übergangs dient. (Bild: MPQ)

Molekülphysik

Während man bestimmte Atomsorten sehr effizient mit Laserstrahlung kühlen kann, bereitet dies bei Molekülen wegen ihrer Rotations- und Schwingungsfreiheitsgrade Schwierigkeiten. Doch im vergangenen Jahr ist es Forschern am Imperial College London erstmals gelungen, zweiatomige Moleküle in einer magnetooptischen Falle unter die kritische Doppler-Temperatur auf 46 Mikrokelvin zu kühlen. Damit rückt ein molekulares Bose-Einstein-Kondensat in greifbare Nähe, an dem sich weitreichende Grundlagenexperimente durchführen ließen. Am MPI für Quantenoptik in Garching hat man dipolare Moleküle in einem dichten Strahl mit einem Puffergas und mit rotierenden elektrischen Feldern stark abgekühlt. Dabei konnte man Kollisionen zwischen den kalten Molekülen beobachten: ein Meilenstein auf dem Gebiet der kalten Chemie.

Über Experimente zur Quantenlogik mit Molekülen berichteten Forscher vom NIST in Boulder. Sie hatten einzelne Molekülionen in bestimmte Rotationszustände sowie in eine kohärente Überlagerung solcher Zustände gebracht. Damit werden molekulare Präzisionsmessungen und Quanteninformationsverarbeitung möglich. Theoretiker am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg haben gezeigt, dass quantenmechanisch verschränkte Zustände zwischen Molekülen und Photonen zu ungewöhnlichem quantenchemischem Verhalten der Moleküle führen sollten. So ließen sich die chemischen Eigenschaften vieler Stoffe durch starke Photon-Materie-Wechselwirkung verändern.

Quantenkommunikation

Im vergangenen Jahr ist die Quantenkommunikation mit Hilfe eines künstlichen Satelliten interkontinental geworden. Zunächst hatte man am IQOQI in Wien gezeigt, dass sich die Eigenschaften von hyperverschränkten Photonen, deren Polarisationen sowie Energien bzw. Erzeugungszeiten korreliert waren, sich trotz eines 1,2 Kilometer langen Weges durch die turbulente Atmosphäre noch nachweisen ließen. Sodann hatten chinesische Forscher aus Hefei demonstriert, dass man einen Quantenschlüssel mit Hilfe von polarisierten Photonen auch bei Tageslicht über eine Distanz von 53 Kilometer durch die Erdatmosphäre sicher übertragen kann. Kurz darauf hatten sie über den chinesischen Experimentalsatelliten „Micius“ einen Quantenkanal zwischen zwei Bodenstationen aufgebaut, die 1203 Kilometer voneinander entfernt waren. Dabei emittierte der Satellit Paare von polarisationsverschränkten Photonen, die von den Bodenstationen aufgefangen und erfolgreich einem Bell-Test unterzogen wurden. Schließlich haben die chinesischen Forscher mit ihren Kollegen in Wien über den Satelliten einen Quantenschlüssel ausgetauscht, mit dem ein Life-Telefonat abhörsicher verschlüsselt wurde. Das Zeitalter der interkontinentalen Quantenkommunikation hat also begonnen!

Abb.: Die Bodenstation am Observatorium Lustbühel in Graz tauschte mit dem chinesischen Satelliten „Micius“ Photonen aus. (Bild: J. Handsteiner, ÖAW)

Abb.: Die Bodenstation am Observatorium Lustbühel in Graz tauschte mit dem chinesischen Satelliten „Micius“ Photonen aus. (Bild: J. Handsteiner, ÖAW)

Quanteneffekte

Im vergangenen Jahr wurden zahlreiche ungewöhnliche Quanteneffekte erstmals beobachtet. Normalerweise beeinflussen sich zwei Photonen nicht, wenn sie einander begegnen. Doch Forschern in Harvard und am MIT ist es mit Hilfe von Rydberg-Atomen gelungen, Photonen paarweise kollidieren zu lassen. Diese kohärenten und kontrollierten Photonenkollisionen eröffnen neue Möglichkeiten zum Bau photonischer Quantengatter.

Forscher der University of Nebraska-Lincoln haben mit extrem intensiver Laserstrahlung und relativistischen Elektronen erstmals nichtlineare Vielphotonen-Thomson-Streuung von sehr hoher Ordnung erzielt. Dabei entstand jeweils aus mehr als fünfhundert Infrarotphotonen ein einzelnes Röntgenphoton. Auf diese Weise könnte man ultrakurze Gammastrahlenpulse erzeugen, mit denen sich ultraschnelle Kernprozesse erforschen ließen.

An der Universität Konstanz hat man den Vakuumzustand des elektromagnetischen Feldes in einen „gequetschten Zustand“ umgewandelt, indem man die Quantenfluktuationen eines Infrarotpulses umverteilt hat. Mit einem ultrakurzen Laserpuls wurde dann der IR-Puls abgetastet. Dabei zeigte es sich, dass die Quantenfluktuationen des „gequetschten“ Vakuums geringer sein konnten als die des normalen feldfreien Zustandes.

Quantentests

In mehreren Experimenten wurde die Gültigkeit der Quantenmechanik getestet, indem man die Bell’sche Ungleichung unter verschärften Bedingungen überprüft hat. So wurden an der Universität München die Eigenschaften von zwei Rubidiumatomen untersucht, die sich in zwei vierhundert Meter entfernten Labors befanden und quantenmechanisch verschränkt waren. Die Ergebnisse schlossen eine lokal-realistische Interpretation aus. An der Universität Wien wurde erfolgreich ein „kosmischer Bell-Test“ durchgeführt. Dazu wurden Paare von polarisationsverschränkten Photonen aufgeteilt und zu zwei verschiedenen Stationen in Wien geleitet. Dort wurde ihre Polarisation analysiert, wobei die jeweilige Analysatorstellung durch die Farbe von Photonen aus mindestens sechshunert Jahre altem Sternenlicht bestimmt wurde, sodass Korrelationen zwischen den Analysatoren ausgeschlossen waren.

Quantenmechanik-Test

Abb.: Durch den Vergleich der Interferenzbilder hinter einer Kombi­nation von Schlitzen war es möglich, die Quanten­mechanik mit massiven Teil­chen zu testen. (Bild: U. Wien)

Kann man quantenmechanisches Verhalten auch an makroskopischen Objekten beobachten? Forscher aus Wien und Tel Aviv haben das untersucht, indem sie Phthalozyaninmoleküle mit einer Masse von 515 amu durch einen Einzel-, Doppel- oder und Dreifachspalt fliegen ließen. Die dabei entstandenen Beugungsbilder ließen sich mit Hilfe der Born’schen Regel auf die Welleneigenschaften der Moleküle zurückführen.

Datenspeicher

In der Festkörperphysik gab es interessante Entwicklungen bei den Datenspeichern. So haben Forscher von der Yale University und vom JILA in Boulder die Kontrolle des Quantenzustands einer mechanisch schwingenden Membran mit Mikrowellen so weit perfektioniert, dass sie ein Qubit von der Mikrowelle auf die Membran übertragen konnten. Das Qubit ließ sich so für 137 µs speichern. Die Yale-Forscher haben zudem ein „supraleitendes“ Qubit auf einem Squid über ein Piezoelement an einzelne Phononen oder Schwingungsquanten in einem Saphirkristall gekoppelt. Auch hier ist das Ziel die mechanische Speicherung von Qubits.

Bei der magnetischen Datenspeicherung stehen die extreme Miniaturisierung und der Einsatz exotischer Anregungen im Vordergrund. In einem Speicherelement, das an der Universität Hamburg entwickelt wurde, tragen jeweils drei Eisenatome auf einer Platinoberfläche ein Bit, das stundenlang stabil blieb. Geschrieben und gelesen wurde mit einem magnetischen Rastertunnelmikroskop. Ein internationales Forscherteam konnte sogar ein Bit auf einem einzelnen Holmiumatom speichern. Rein rechnerisch ließen sich so etwa einhundert Terabyte auf der Fläche einer Briefmarke unterbringen.

Skyrmionen

Abb.: Die beiden oberen Grafiken zeigen die stabilen Zustände auf der Nano­scheibe, der Farb­code stellt die Rich­tung der Magne­ti­sie­rung in der Ebene dar. In der unteren Grafik stellen die goldenen Pfeile unter­halb des Skyrmions das Magnet­feld des Strom­pulses dar, der zum Um­schalten führt. (Bild: A. Schäffer / U. Halle-Witten­berg)

Skyrmionen sind Spinstrukturen in magnetischen Materialien, die durch ihre topologischen Eigenschaften stabilisiert werden und sich daher zur Datenspeicherung eignen. Doch diese Eigenschaften erschweren auch die Erzeugung der Skyrmionen. Forscher der Universität Halle und der Stanford University haben jetzt einen Weg gefunden, Skyrmionen auf Nanoscheiben mit Elektronenstrahlen zu erzeugen und auch wieder zu löschen. Mit elektrischen Strömen lassen sich Skyrmionen in Dünnschichtfilmen gezielt verschieben, wie Forscher der Universität Mainz herausgefunden haben. Auf diese Weise ließen sich mit Skyrmionen Racetrack-Speicher realisieren, bei denen die Daten von stationären Lese- und Schreibköpfen ausgelesen bzw. geschrieben werden.

Forscher am Imperial College London haben ein magnetisches Schreibverfahren entwickelt, mit dem sie magnetische Metamaterialien wie etwa ein Spin-Eis in jeden gewünschten Mikrozustand bringen können. Damit haben sie erstmals den Grundzustand eines Kagome-Gitters, Ketten von magnetischen Monopolen und Zustände mit negativer Temperatur erzeugt.

Ein Metamaterial mit einem umgekehrten Hall-Koeffizienten ist am Karlsruhe Institut für Technologie entwickelt worden. Es besteht aus Polymerringen, die mit Zinkoxid beschichtet sind. Seine dreidimensionale Ringstruktur ähnelt der eines Kettenhemdes. Obwohl das Ausgangsmaterial einen negativen Hall-Koeffizienten hat, ist der des Metamaterials positiv, so als würden sich in ihm positive Ladungsträger bewegen.

Abb.: Diese dreidimensionale Ringstruktur eines Metamaterials wurde von Kettenhemden aus der Ritterzeit inspiriert. (Bild: KIT)

Abb.: Diese dreidimensionale Ringstruktur eines Metamaterials wurde von Kettenhemden aus der Ritterzeit inspiriert. (Bild: KIT)

Mit einer neuartigen elektronenmikroskopischen Untersuchungsmethode haben Forscher der Rutgers University erstmals die mechanischen Schwingungsmoden von nanometergroßen Kristallen mit atomarer Auflösung sichtbar gemacht. Sie haben untersucht, wie Phononen mit anderen Phononen, mit Plasmonen oder mit Photonen innerhalb wie außerhalb einer Nanostruktur wechselwirken.

Anfang letzten Jahres sorgte die Meldung für Aufregung, dass der lang erwartete Übergang von stark komprimiertem Wasserstoff in einen metallischen Zustand bei einem Druck von knapp 500 Gigapascal beobachtet worden sei. Dies stieß jedoch sogleich auf Kritik, da u. a. der Nachweis des metallischen Wasserstoffs nur indirekt und nicht über eine Leitfähigkeitsmessung erfolgt war. Hier bringt vielleicht das neue Jahr eine Entscheidung. Unstrittig ist hingegen die am Argonne National Laboratory beobachtete Umwandlung von Graphit unter hohem Druck in die exotische hexagonale Diamantstruktur. Für den hohen Druck sorgten Stoßwellen, die beim Aufprall eines Projektils mit 18.000 km/h auf eine Graphitprobe entstanden. Der Nachweis der Diamantstruktur erfolgte mit ultrakurzen Röntgenpulsen.

Einen „Zeitkristall“, wie ihn Frank Wilczek vorhergesagt hatte, konnten Forscher von der University of Maryland und von Harvard an einer Kette aus 14 Ionen bzw. an Stickstofffehlstellen in einem Diamanten beobachten. Während ein räumlicher Kristall die räumliche Translationssymmetrie bricht, bricht ein Zeitkristall die zeitliche. Um diese Symmetriebrechung hervorzurufen, mussten die stark wechselwirkenden Spins der Ionenkette bzw. der Fehlstellen periodisch mit einem effektiven Magnetfeld geflippt werden, sodass das System zunächst mit der Antriebsfrequenz pulste. Unter bestimmten Bedingungen wurde diese Translationssymmetrie spontan gebrochen: Das System pulste dann nur noch mit der halben oder drittel Antriebsfrequenz.

Rainer Scharf

OD

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  • 25. January 2018

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