Meister der Quantenmanipulation

  • 09. October 2012

Den Physik-Nobelpreis 2012 teilen sich Serge Haroche und David Wineland „für die Entwicklung experimenteller Methoden, mit denen sich individuelle Quantensysteme messen und manipulieren lassen“.

„Wer glaubt, die Quantentheorie verstanden zu haben, hat sie nicht verstanden“, stellte einst Richard Feynman fest. Denn die Konsequenzen der Quantenmechanik widersprechen oft genug dem menschlichen Verstand. Ein Beispiel ist Schrödingers Katze, die in ihrer abgeschlossenen Box in einer Überlagerung aus „tot“ und „lebendig“ haust, bis ein mutiger Experimentator es wagt, die Kiste zu öffnen und nachzusehen. In diesem Moment nämlich bricht der Überlagerungszustand zusammen, und die Katze nimmt einen der beiden Zustände an. Ob tot oder lebendig, ist dann klar. Zu Schrödingers Lebzeiten war dies ein kurioses Gedankenexperiment, für das er sich selbst später entschuldigt hat. Die diesjährigen Physik-Nobelpreisträger – Serge Haroche und David Wineland – haben dieses Gedankenexperiment realisiert, allerdings mit Photonen bzw. Ionen statt Katzen, und dabei Effekte von Verschränkung und Dekohärenz untersucht. Beide Quantenoptiker sind bereits mit Preisen überhäuft worden, u. a. haben sie in aufeinander folgenden Jahren – 2009 David Wineland und 2010 Serge Haroche – den Herbert-Walther-Preis erhalten, den die DPG gemeinsam mit der Optical Society of America verleiht.

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Serge Haroche (Abb. CNRS Photothèque/Christophe Lebedinsky)

Der französische Physiker Serge Haroche ist Professor am Collége de France und an der École Normale Supérieure in Paris. Er experimentiert mit einzelnen Photonen, die er in einem Resonator, dessen Spiegel etwa drei Zentimeter voneinander entfernt sind, speichern kann. Die Güte des Resonators ist so hoch, dass die Photonen für 0,13 Sekunden darin verbleiben und in der Zeit eine Distanz von knapp 40.000 Kilometer zurücklegen. Quantenobjekte verändern ihren Zustand, sobald an ihnen eine Messung durchgeführt wird – so auch die berühmte Katze, deren Schicksal sich beim Öffnen der Kiste entscheidet. Doch Haroche ist es gelungen, die Zahl der Photonen zerstörungsfrei mithilfe von hochangeregten Rydberg-Atomen nachzuweisen, die rund tausendmal größer sind als Atome im Grundzustand. Dazu durchquert das Rydberg-Atom den Hohlraum, ohne Energie zu absorbieren. Stattdessen führt die Wechselwirkung mit den gespeicherten Photonen zu einer Phasenverschiebung seiner Wellenfunktion. Die Verschränkung von Mikrowellenfeld und Rydberg-Atomen erlaubt es dann, den Übergang von der Quanten- in die klassische Welt – die Dekohärenz – zu beobachten.

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David J. Wineland (Abb. NIST)

Der US-Amerikaner David Wineland arbeitet am National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado. Er gilt als einer der Pioniere der Laserkühlung an gespeicherten Ionen, welche die Spektroskopie an einzelnen Teilchen ermöglicht hat. Ein sorgfältig eingestellter Laserpuls dient ihm dazu, das Ion in eine Überlagerung aus zwei Energiezuständen zu bringen. Wineland und seinem Team ist es mithilfe gespeicherter Ionen gelungen, die genaueste Uhr der Welt zu bauen, die einhundertmal präziser ist als eine Cäsiumuhr. Die relative Genauigkeit dieser optischen Ionenuhr liegt bei 10-17 – hätte man sie vor 13,7 Milliarden Jahren beim Urknall gestartet, würde sie heute gerade einmal um fünf Sekunden falsch gehen. Darüber hinaus konnte Wineland ein Quantengatter experimentell realisieren, das auf den Vorschlag von Ignacio Cirac und Peter Zoller zurückgeht. Dazu nutzte er die Verschränkung zwischen den elektronischen Zuständen und denen der Schwerpunktsbewegung eines gespeicherten Ions. Das war der Durchbruch für die Quanteninformationsverarbeitung, die bis zu diesem Zeitpunkt reine Theorie gewesen war.

Eine mögliche Anwendung der Quantengatter ist der vielbeschworene Quantencomputer, der auf Quantenbits basiert, die entgegen einem klassischen Bit 0 und 1 zugleich sein können. David Wineland und seine Gruppe konnten Quantenoperationen mit zwei Quantenbits ausführen. Doch bis zu einem funktionierenden Quantencomputer ist es natürlich noch ein weiter Weg. Nicht mehr weit ist es für die beiden diesjährigen Nobelpreisträger dagegen bis zum 10. Dezember. An diesem Tag, dem Todestag Alfred Nobels, werden sie aus den Händen des schwedischen Königs die goldene Medaille erhalten – die Würdigung dafür, dass sie die ersten waren, die einzelne Partikel wahrlich meisterlich manipulieren konnten.

Maike Pfalz

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