Quantenspuk mit Diamanten

  • 02. December 2011

Zwei millimetergroße Kristalle mittels Infratrotlaserpulsen unter „Alltagsbedingungen“ quantenmechanisch verschränkt.

Quantenmechanisch verschränkte Atome oder Photonen können ihr Verhalten so eng miteinander abstimmen, wie es im Rahmen der klassischen Physik nicht möglich ist. Jetzt haben Forscher in Oxford zwei millimetergroße Diamanten, die sich normalerweise klassisch verhalten, in einen quantenmechanisch verschränkten Zustand gebracht.

Abb.: Ein ultrakurzer Laserpuls regt in den beiden Diamanten ein optisches Phonon an. Die dabei entstehenden Photonen interferieren. Wird eines von ihnen detektiert, so sind die Schwingungen der Diamanten verschränkt. (Bild: Science)

Abb.: Ein ultrakurzer Laserpuls regt in den beiden Diamanten ein optisches Phonon an. Die dabei entstehenden Photonen interferieren. Wird eines von ihnen detektiert, so sind die Schwingungen der Diamanten verschränkt. (Bild: Science)

Die Erforschung des Grenzbereichs von klassischer Physik und Quantenmechanik lohnt sich in mehrfacher Hinsicht. Zum einen möchte man herausfinden, ob beim Übergang vom quantenmechanischen zum klassischen Verhalten neue physikalische Phänomene auftreten, wie etwa durch das Schwerefeld lokalisierte Zustände. Zum anderen könnte man für die Quanteninformationsverarbeitung oder für einen Quantencomputer auch makroskopische Komponenten einsetzen, die ausreichend lange in verschränkten Quantenzuständen verweilen können.

Jetzt sind Ian Walmsley von der University of Oxford und seine Kollegen aus Ottawa, Oxford und Singapur der Verschränkung makroskopischer Objekte unter „Alltagsbedingungen“ einen großen Schritt näher gekommen. Sie haben zwei Diamanten, die 3 Millimeter groß waren und einen Abstand von 15 Zentimetern hatten, bei Zimmertemperatur mit ultrakurzen infraroten Laserpulsen von 60 Femtosekunden Dauer bestrahlt. Die Lichtfrequenz der Laserpulse war so bemessen, dass in den Diamanten optische Phononen angeregt wurden.

Diese optischen Phononen sind die Quanten der mechanischen Schwingungen im Diamantkristall, bei denen sich zwei Untergitter des Kristalls gegeneinander bewegen. Da der Kristall äußerst starr ist, haben diese kollektiven makroskopischen Schwingungen, an denen jeweils etwa 1016 Atome teilnehmen, eine ungewöhnlich hohe Frequenz von etwa 40 Terahertz. Wegen der entsprechend hohen Phononenenergie waren in den Diamanten vor ihrer Bestrahlung selbst bei Zimmertemperatur keine optischen Phononen angeregt.

Die Diamanten wurden in ein Interferometer gebracht, um ihre Schwingungsanregungen zu verschränken. Dabei nutzten die Forscher ein auf Duan, Lukin, Cirac und Zoller zurückgehendes Verfahren, mit dem man schon ultrakalte Atomwolken verschränkt hatte. Der ultrakurze Laserpuls wurde an einem Strahlteiler aufgespalten, danach traf jeder der beiden Teilpulse auf einen Diamanten. Dort konnte ein Photon des Teilpulses mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit über den Raman-Effekt ein optisches Phonon im Diamanten anregen, wobei das Photon gestreut wurde und sich seine Frequenz verringerte.

Die von den beiden Diamanten gestreuten Photonen wurden mit einem Strahlteiler wieder zusammengeführt und zur Interferenz gebracht. Anschließend registrierte ein Photodetektor die einzelnen Photonen. Dadurch ließ sich nicht mehr unterscheiden, ob ein registriertes Photon vom „linken“ oder vom „rechten“ Diamanten gekommen war. Die beiden Diamanten teilten sich daraufhin die phononische Anregung – sie waren verschränkt.

Allerdings war die Verschränkung sehr kurzlebig und dauerte nur 7 Picosekunden. Die Forscher mussten sich also beeilen, um sie nachzuweisen. Dazu strahlten sie 350 Femtosekunden nach der Anregung des Phonons (aber noch vor der Detektion des gestreuten Photons, sodass die Verschränkung und ihr Nachweis gewissermaßen gleichzeitig abliefen) einen intensiven Probepuls auf die Diamanten im Interferometer. Mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit konnte eines der Probe-Photonen die Energie eines Phonons im rechten oder im linken Diamanten aufnehmen und dadurch seine Frequenz erhöhen. Anschließend wurden die dabei gestreuten Photonen wieder überlagert, zur Interferenz gebracht und detektiert.

Aus dem detektierten Interferenzsignal konnten die Forscher schließen, dass sich nicht mehr unterscheiden ließ, ob die einzelnen gestreuten Photonen ein optisches Phonon im linken oder im rechten Diamanten vernichtet hatten. Die phononische Anregung war also kohärent auf die beiden Diamanten verteilt gewesen. Demnach waren die Diamanten mit 98 Prozent Wahrscheinlichkeit in einem verschränkten Zustand.

Die quantenmechanische Verschränkung der Diamanten wurde jedoch sehr schnell durch Umwelteinflüsse und durch die Wärmebewegung in den Kristallen zerstört. Um sie langlebiger zu machen, könnte man die Kristalle abkühlen. An den verschränkten Zuständen ließen sich dann mit einer schnellen Aufeinanderfolge von ultrakurzen Laserpulsen in Sekundenbruchteilen zahlreiche Quantenoperation durchführen, wie man sie für die Quanteninformationsverarbeitung benötigt.

Rainer Scharf

PH

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