Von Quantencomputern und Quasiteilchen

  • Das widerspenstige Kaliumatom in der Mitte stößt die kleineren 
Lithiumatome weg. Der so entstehende komplexe Zustand wird als Quasiteilchen beschrieben.
    abbildung: ritsch

    Das widerspenstige Kaliumatom in der Mitte stößt die kleineren Lithiumatome weg. Der so entstehende komplexe Zustand wird als Quasiteilchen beschrieben.

Innsbrucker Forscher bringen die komplexe Welt der Elementarteilchen einer Nutzung näher - Zwei Studien in "Nature" publiziert

Innsbruck - Auf die praktischen Anwendungen quantenphysikalischer Phänomene werden große Hoffnungen gesetzt. Der Quantencomputer soll die Informationsverarbeitung revolutionieren, widerstandsfreie Übertragung von Energie ist ein weiteres Ziel.

Seit Jahren sind zwei Innsbrucker Institute in der Fachwelt bekannt dafür, den Weg zur Realisierung solcher Vorstellungen zu ebnen. Gleichzeitig haben sie gerade in der Fachzeitschrift "Nature" ihre neuesten Forschungsergebnisse veröffentlicht.

Das Team um Rainer Blatt am Physik-Institut der Universität Innsbruck arbeitet an einer Schnittstelle zwischen Quantencomputer und Quanteninternet. Die Forscher nutzen dabei das Phänomen der Verschränkung von subatomaren Teilchen. Mit dessen Hilfe können nicht nur die Computer selbst ungleich schneller und komplexer arbeiten als herkömmliche Rechner. Es dient auch zur Übertragung der Information.

Konkret ist es den Physikern gelungen, ein Ion mithilfe eines gezielten Lasers anzuregen, das heißt in einen höheren Energiezustand zu versetzen. Dabei entstehen mit dem Ion verschränkte Photonen - Teilchen, die über beliebige Distanzen mit dem Ion verbunden sind. Sie haben perfekt definierte gemeinsame Eigenschaften. Dies ist nicht zum ersten Mal gelungen, aber, wie die beteiligte Forscherin Tracy Northup betont, "die Ausbeute der verschränkten Photonen ist um ein Vielfaches höher". Außerdem kann durch Änderungen am Laserstrahl die Verschränkung beliebig eingestellt und ein äußerst präziser Quantenzustand erreicht werden. Noch ist keine Information übertragen worden, aber Fernziel ist es, durch Verschränkung zwischen Materie und Licht entfernte Prozessoren miteinander zu verbinden.

Eine Millisekunde Leben

Den Innsbrucker Kollegen am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist es hingegen gelungen, "Quasiteilchen" zu zähmen. Das sind keine eigenständigen Elementarteilchen, vielmehr Zustände bzw. Eigenschaften eines Teilchens, das mit seiner Umgebung in Wechselwirkung steht. Konkret geht es hier um ein "repulsives Polaron", ein Kaliumatom, das sich durch Quantengas aus Lithium bewegt und dabei die Lithiumatome abstößt. Das Phänomen wurde zuerst an Elektronen beobachtet, die einen Festkörper beim Durchdringen "verzerren".

Die Zähmung des widerspenstigen Teilchens gelang dem Team um Rudolf Grimm, indem es das Gas auf nur ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad) abkühlte und damit die Eigenschaften des ansonsten extrem flüchtigen abstoßenden Polarons untersuchen konnte.

In diesem Zustand der Quasiteilchen können die Forscher komplexe Prozesse auch in Festkörpern vereinfacht beschreiben. Normalerweise zerfallen die Partikel in Festkörpern und auch in Gasen sehr rasch. Zu ihrer Überraschung stellten Grimm und seine Mitarbeiter aber fest, dass die von ihnen erzeugten Polaronen "eine gegenüber früheren Experimenten um das Zehnfache gesteigerte Lebensdauer hatten", was für viele Beobachtungen von Nutzen ist und etwa zum besseren Verständnis von Hochtemperatursupraleitung beitragen kann: widerstandsloser Leitfähigkeit nicht nur nahe am absoluten Gefrierpunkt.

Natürlich ist alles relativ: Die Lebensdauer der Polaronen beträgt gerade einmal eine Millisekunde. (APA/mf, DER STANDARD, 24.5.2012)

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