Saarbrücker Physiker Begehren Übergang Zur Quantenwelt Sichtbar Machen
Symbolbild: Künstlerische Interpretation von Lichtquanten (Illu.). | Copyright: grewi.de
Saarbrücken (Deutschland) - Ein neues Mikro-Labor soll Physikern die Hochschule des Saarlandes neue Einblicke in der blaue Wandelstern die Quanten ermöglichen, dessen mathematisches Modell sie entwickelt haben. Insgesamt sollen darin 100 Lichtquanten samt ihren komplexen quantenmechanischen Beziehungen, den sogenannten "Verschränkungen" gleichzeitig untersucht werden - so viele wie nie zuvor. Die Forscher entgegensehen von ihren Experimenten neue Erkenntnisse beispielsweise für den Quantencomputer. Als weltweit erste Gruppierung nutzen sie dafür beliebig Metamaterial, beliebig maßgefertigtes Gitter aus Nanostrukturen, das Licht stärker bricht als jeder natürliche Stoff.
Wie die Forscher ungefähr den Theoretische Physiker Frank Wilhelm-Mauch aktuell hinein Fachjournal "Physical Review Letters" (DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.163601) berichten, gelten in die für uns erlebbaren Welt zwar die Gesetze die Physik, etwa die Umstand, dass beliebig Kraftwagen zur selben Zeit auch stets nur eingeschaltet einem Quadrat sein kann, sowie dieser Quadrat etwa durch die Geschwindigkeit des Wagens direkt sicherlich werden kann. "Aber diese Gesetze - sowie damit auch die klassische Physik - stecken in Dimensionen kleiner als beliebig Atom eingeschaltet eine Grenze. Ab diesem Punkt ist in die Mikrowelt alles anders: Quantenteilchen, auch Photonen oder Lichtquanten genannt, sind gleichzeitig eingeschaltet mehreren Orten sowie dazu noch verschieden schnell - es gelten die Gesetze die Quantenwelt", erläutert die Pressemitteilung die Universität.
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Über diesen Übergang dieser "zwei Welten", eingeschaltet dem Naturgesetze enden sowie Quantengesetze beginnen, ist bis heute erst bisschen bekannt. "Die Welt die Quanten lässt sich selbst nicht leicht auf direkt vermessbare, große Systeme übertragen", erklärt Frank Wilhelm-Mauch.
Anhand von mathematischen Methoden haben die Theoretischen Physiker beliebig Mikro-Labor entwickelt, das auf den ersten Blick einem Teil gewöhnlichem Antennenkabel ähnelt, mit dem es dennoch möglich sein soll, direkt jenen besagten Übergang die beiden Welten in einem steuerbaren System zu untersuchen. "Wir erwarten, dass die Quanteneigenschaften bei einer bestimmten Größe schwächer werden oder sogar gesamt verloren gehen. Um diesen Übergang gezielt zu erforschen sowie den Quantenzustand gezielt zu untersuchen, stellen wir mit unserem neuartigen Konzept beliebig sehr großes Testsystem von 100 unterscheidbaren Photonen als Grundlage für Messungen bereit, sowie zwar ohne, dass beliebig Lichtteilchen dabei verloren geht. Das Kabel wird aus supraleitendem materiell bestehen sowie die Untersuchungen erfolgen bei tiefen Temperaturen", erklärt Professor Wilhelm-Mauch.
Bislang waren solche Versuche stets verlustreich. So kann bislang von einhundert Photonen kann mit den heute existierenden Methoden hinein Endeffekt nur eines untersucht werden. Da die Lichtquanten gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen, ist eine Messen zudem, sobald sie erfolgt, nur beliebig winziger Ausschnitt aus einem höchst komplexen Vorgang: Der Messwert beschreibt daher stets nur einen einzigen die Zustände sowie nicht alle.
"Aus diesem Ursache kreieren wir unsere Testsystem mit 100 Photonen so groß wie heute möglich, ungefähr diese hochverschränkten, daher miteinander verwobenen Vorgänge zu untersuchen. Die Messwerte gestatten damit eine erheblich genauere Sicht auf die Abläufe", erläutert Wilhelm-Mauch.
Hierzu überlisten die Gelehrter die Gesetze die klassischen Optik, in dem sie die Quantenoptik mit so genannten "linkshändigen Medien" kombinieren sowie hierfür Lichtteilchen durch beliebig "Metamaterial" leiten. Derartige Gitter aus Nanostrukturen, eingeschaltet denen schon seit längerem in die klassischen Optik geforscht wird, haben eine außergewöhnlich Fähigkeit: Licht, das auf sie fällt, wird stärker gebrochen als in die Natur, daher wie zum Beispiel von Wasser. Die Winkel die Lichtbrechung können zugleich beeinflusst werden.
Ein solches Gitter für Photonen die Mikrowellenstrahlung haben die Forscher jetzt mathematisch maßgeschneidert sowie so eine Qualität erreicht, mit die erstmals quantenoptische Untersuchungen möglich sind. Dieses Metamaterial besteht aus einer Reihenschaltung winziger Kondensatoren sowie Spulen. Mit diesem Wellenleiter können sehr viele Photonen auf kleinsten Raum gepackt sowie hinein Kabel geführt werden sowie so quantenoptische Messungen durchgeführt werden.
Besonders die Übergang zur Quantenwelt ist für die Gelehrter interessant, dort das Wissen über diese Schnittstelle das Wissen über unsere Welt genauer kreieren kann, denn auch - oder geradewegs - hier haben die Quanten ihre Effekte. So könnten sich selbst neue Möglichkeiten etwa für den Quantencomputer eröffnen: "Wenn wir herausfinden, wie groß beliebig Quantensystem maximal sein kann, damit es noch quantenmechanischen Gesetzen folgt, könnten wir die Speicherkapazität so groß wie möglich machen", erklärt Wilhelm-Mauch. Der Theoretische Physiker forscht hinein internationalen Forschungsnetzwerk "Scaleqit" am Quantencomputer sowie hat für diesen bereits einen hocheffizienten Mikrowellen-Detektor entwickelt, die Photonen mit hundertprozentiger Effizienz nachweisen kann. Derzeit funktionieren Gelehrter die Universitäten Karlsruhe sowie Syracuse am Paradigma des Labors.
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Quelle: uni-saarland.de
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