Was tun gegen die Frustration von Quantenteilchen

21. Februar 2011, 19:30
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Forscher simulieren die Phänomene komplex miteinander verschränkter subatomarer Partikel

Wien - In der Welt subatomarer Partikel gelten andere Gesetze als in der "normalen" Physik. Statt Eindeutigkeiten und kausaler Zuordnungen herrschen potenzielle Zustände bzw. die Möglichkeit, dass ein Teilchen zugleich das eine und etwas anderes sein kann.

So schwierig es ist, mit dem Hausverstand solche Zustände zu begreifen oder sie zu beschreiben, so schwer fällt es Wissenschaftern, sie zu simulieren. Auch wenn es nur um ein Dutzend Teilchen als System geht, scheitern die schnellsten Rechner an der Überfülle an Informationen, die die Quantenteilchen enthalten.

Doch nun ist es einem Team um die Physiker Philip Walter und Anton Zeilinger gelungen, ein einfaches Quantensystem durch ein anderes nachzubilden. Wie sie in der neuesten Ausgabe von Nature Physics schreiben, verwenden sie "gezielt quantenmechanisch präparierte Photonen, um Einblicke in andere Quantensysteme zu erhalten".

Konkret: Die Forscher von der Uni Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften konnten ein Phänomen simulieren, das man - was nicht selbstverständlich ist in der Quantenwelt - durchaus mit dem Hausverstand nachvollziehen kann: die Paarbildung. Es handelt sich dabei um ein System quasi monogamer Teilchen mit dem Hang zum Fremdgehen.

Die auf diese Weise menschlich gewordenen Teilchen können nur mit einem Partner eine Verbindung eingehen, finden aber auch andere Partner attraktiv und würden sich gerne mit diesen verbinden. Weil sich die Teilchen nicht entscheiden können und sich daher in einer Superposition zwischen den beiden Partnern befinden, nennen die Physiker dies ein "frustriertes Quantensystem".

Sie entstehen immer, wenn einander konkurrierende Wechselwirkungen nicht befriedigt werden können. Es kann etwa der Spin, der Drehsinn, eines Elektrons wegen seines rechten Nachbar-Elektrons nach oben und wegen seines linken Nachbarn nach unten zeigen. Weil es sich zwischen den beiden Richtungen nicht entscheiden kann, liefert die Quantenphysik die Lösung in Form der Superposition (Überlagerung) zwischen den beiden Zuständen.

Gral der Quantensimulation

Die Wissenschafter aus China, Serbien, Neuseeland und Österreich simulierten mit zwei verschränkten Photonenpaaren das Verhalten von Elektronen, wie es etwa in Supraleitungen auftreten könnte, wo Strom ohne Widerstand fließt.

Diese kleine Modell, räumen sie ein, hätte man auch herkömmlich berechnen können. Den "heiligen Gral der Quantensimulation" hätten sie nicht gefunden, sehr wohl aber einen Weg, um eines Tages auch komplexere Systeme zu berechnen und zu beherrschen.

Damit verbinden sich viele Vorstellungen, von der teilweise bereits realisierten Datenverschlüsselung bis zum seit vielen Jahren angepeilten Quantencomputer. Science-Fiction-Autoren träumen von seinen Rechenleistungen ebenso wie die Forscher unter anderem in Wien, Innsbruck und München, deren Erfolge auf diesem Gebiet sich häufen. (APA, mf/DER STANDARD, Printausgabe, 22.02.2011)

  • Schön wär's, wenn die Quantenwirklichkeit auch so einfach wäre: schematische Darstellung der Paarbindungen in einem quantenmechanischen Vierteilchen-System.
    illustration: felice frankel

    Schön wär's, wenn die Quantenwirklichkeit auch so einfach wäre: schematische Darstellung der Paarbindungen in einem quantenmechanischen Vierteilchen-System.

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