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Keyword: Quantenphysik

Francesco Intravaia, Daniel Reiche und Kurt Busch
05 / 2022 Seite 35
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In der Unruhe liegt die Kraft

Fluktuationen sind allgegenwärtig. Sie bilden einen fundamentalen Baustein der Quantenmechanik und sind verantwortlich für die unterschiedlichsten Phänomene von der Biologie bis zur Kosmologie. So exis­tieren fern jeder klassischen Intuition Kräfte zwischen nichtmagnetischen und elektrisch neutralen Objekten. Diese Kräfte entstehen durch Quantenfluktuationen wie aus dem Nichts und gewinnen immer mehr an Bedeutung für verschiedene Zukunftstechnologien.

Mit pantha rhei (Alles fließt) werden manchmal die Lehren des griechischen Philosphen Heraklit zusammengefasst. Sie entsprechen dem Verständnis von kausaler Verknüpfung sowie einem ständigen Wandel in der Natur. Viele Jahrhunderte später hat die Quanten­mechanik unser Weltbild revolutioniert. Die nicht-intuitiven Resultate der Quantentheorie bieten Raum für Spekulationen und werden bis heute debattiert. Dazu zählt die Erkenntnis, dass jede physikalische Größe eine intrinsische Unsicherheit mit sich trägt. Solche Quantenfluktuationen verbinden jede Observable mit statistischem Rauschen. Heute wissen wir: Alles rauscht. Was sich wie eine theoretische Kuriosität anhört, hat weitreichende Implikationen im gesamten Spektrum der Physik. Denn Quantenfluktuationen sorgen für messbare Effekte mit wachsender Bedeutung für moderne Nano- und Quantentechnologien.

Mathematisch gesehen sind Quantenfluktuationen die Konsequenz der nicht-kommutativen Struktur der Quantenmechanik, also der Tatsache, dass die Reihenfolge von Messungen wichtig ist. So können wir niemals „gleich­zeitig“ die Posi­tion x und den Impuls p eines Körpers exakt bestimmen. Als Konsequenz ergibt sich die Unschärferelation von Heisenberg. Für eine eindimensionale Dynamik gilt Δx Δp ≥ ħ/2, wobei ħ = h/(2π) die reduzierte Planck-Konstante ist. Je kleiner die Unschärfe im Ort Δx, desto ungenauer wird der Impuls Δp – und umgekehrt. (...)

 

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Panorama

Auszeichnung für den Quantenphysiker Rainer Blatt

21.04.2022 -

JGU vergibt ihren bedeutendsten Forschungspreis an Forscher der Universität Innsbruck.

Forschung

Erstes Hybrid-Quantenbit mit topologischen Isolatoren

20.04.2022 -

Wichtiger Schritt auf dem Weg zum topologischen Quantencomputer gelungen.

Panorama

Zukunftsforschung zu tiefen Temperaturen und Quantentechnologie

13.04.2022 -

Physikalisch-Technische Bundesanstalt weiht auf ihrem historischen Standort in Berlin den Walther-Meißner-Bau ein.

Forschung

Intensives Laserlicht ändert Paarungsverhalten von Elektronen

12.04.2022 -

Experiment weist den Weg zur Steuerung chemischer Reaktionen mit Lasern.

Daniel Bhatti und Stefanie Barz
04 / 2022 Seite 29
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Licht trifft Knoten und Kanten

Dieser Artikel stellt Quantenanwendungen vor, die auf verschränkten Zuständen mit mehr als zwei Teilchen basieren. Dabei liegt der Fokus auf Graph-Zuständen. Diese lassen sich in allen physikalischen Systemen herstellen, in denen man einzelne Qubits manipulieren und verschränken kann. Beispiele sind Photonen, Atome, Ionen oder supraleitende Qubits. Wir konzentrieren uns auf photonische Systeme, da photonische Graph-Zustände Quantenkommunikation über weite Strecken, Quanteninternet oder -computing realisieren können.

Verschränkung spielt eine zentrale Rolle in den Quantentechnologien: In der Quantenkommuni­kation erlaubt sie es, geheime Schlüssel auszutau­schen, im Quantencomputing sind verschränkende Gatter­operationen essenziell. Besonders deutlich zeigen sich die speziellen Eigenschaften der Quantenmechanik an ver­schränkten Zuständen mit zwei Teilchen [1]. Eine Messung an einem Teilchen kann den Zustand des Partnerteilchens instantan und unabhängig von der Entfernung verändern.

Aber auch die Verschränkung von mehr als zwei Teil­chen wird durch die sich stetig entwickelnden Quanten­technologien immer wichtiger. Besonders die Herstellung sogenannter Graph­Zustände beschäftigt aktuell viele expe­rimentelle Forschungsgruppen. Ein Graph­Zustand ist de­finiert durch einen mathematischen Graphen. Ein solcher besitzt Knoten und Kanten, welche die Quantenbits sowie deren Verschränkung darstellen. Das Quantenbit (kurz Qubit) ist die fundamentale Einheit der Quanteninforma­tionsverarbeitung (...)

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Forschung

Dunkelzustände unter Kontrolle

15.03.2022 -

Neues Verfahren kann in supraleitenden Quantenbits geschützte Quantenzustände beeinflussen.

Klaus Richter
03 / 2022 Seite 35
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Chaos und Quantendynamik

Chaotisches Verhalten ist dadurch charakterisiert, dass sich kleinste Änderungen der Anfangsbedingungen eines nichtlinearen Systems exponentiell auf dessen Entwicklung auswirken – ein Phänomen, das auch als Schmetterlingseffekt bekannt ist. Ein Analogon dazu tritt auch in Quanten-Vielteilchensystemen auf und lässt sich mit besonderen Kommutatoren beschreiben, die aus der Festkörpertheorie bekannt sind.

In einer wenig beachteten, aber weit vorausschauenden Arbeit wies Albert Einstein 1917 darauf hin, dass die dem Bohrschen Atommodell zugrunde liegende Bohr-Sommerfeldsche Quantisierung der elliptischen Elektronenbahnen für nicht-integrable Systeme auf gravierende konzeptionelle Schwierigkeiten stößt [1]. In der Tat scheiterte diese „alte Atomtheorie“, die sich beim Wasserstoffatom als so erfolgreich erwiesen hatte, vor einem Jahrhundert beim Versuch, sie auf kompliziertere atomare und molekulare Systeme zu verallgemeinern.

Es dauerte weitere fünfzig Jahre, bis Martin Gutzwiller in einer Serie bahnbrechender Arbeiten eine methodische Brücke zwischen der klassischen und der Quantenmechanik nicht-integrabler Systeme schlug [2].1) Genauer gesagt verknüpfte er die chaotische Dynamik eines Teilchens in einem klassischen System mit dem Energieniveau-Spektrum des dazu korrespondierenden Quantensystems. Während Bohrs Zugang auf adhoc-Annahmen beruhte, entwickelte Gutzwiller eine konsistente semiklassische Theorie. In deren Rahmen ließ sich zum einen der Erfolg der alten Atomtheorie für integrable Systeme mit stabilen klassischen Bahnen einordnen; zum anderen aber trug sie dem allgemeineren nicht-integrablen Fall adäquat Rechnung, dass sich die klassische Bewegung häufig nichtlinear chaotisch vollzieht. (...)

 

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