Quantenfangen – Der Nobelpreis für Physik

Teilchen wie Atome, Elektronen oder Photonen, zu beobachten, ist außerordentlich schwierig, denn jeder Kontakt mit der Umgebung zerstört durch die stattfindende Wechselwirkung den Quantenzustand, in dem sich das Teilchen befindet.

Nimmt man zum Beispiel ein radioaktives Atom und schaut nach Ablauf der Halbwertszeit (der Zeit, in welcher die Hälfte des Stoffes zerfällt) nach, ob es noch da ist, dann beträgt die Wahrscheinlichkeit dafür genau 50 %. Solange niemand hinschaut, sollte sich das Atom deshalb in einem Überlagerungszustand befinden, in dem es gleichzeitig zerfallen und intakt ist, und erst bei der Beobachtung kollabiert diese Überlagerung und man sieht entweder den einen oder den anderen Zustand.
Leider braucht es nicht einmal eine bewusste Beobachtung, um die Wahrscheinlichkeitsfunktion zusammenbrechen zu lassen, jedes Anstoßen des Teilchens an der Behälterwand, oder an Schrödingers Katze, die in dem Gedankenexperiment gern mit in die Kiste gesperrt wird, würde dafür mehr als ausreichen.

Um derartige Quantenphänomene zu untersuchen und vielleicht sogar in einem Quantencomputer nutzbar zu machen, muss man deshalb Wege finden, diese Teilchen von Wechselwirkungen mit der Umgebung abzuhalten.
Und in ihren Experimenten haben Serge Haroche am Collège de France und der École Normale Supérieure in Paris und David J. Wineland an der Universität von Colorado genau das geschafft.
Dr. Haroche nimmt dazu zwei halbkugelförmige Spiegel, die in kleinem Abstand von einander positioniert werden, die so exakt ausgerichtet sind, dass ein Photon zwischen ihnen sehr lange hin und her reflektiert werden kann. Das passiert im Vakuum und bei Temperaturen von 0,5 ° über dem absoluten Nullpunkt.
Im Vakuum kommt es zu Quantenfluktuationen, d. h. es entstehen ständig Teilchen, die sich kurzfristig Energie ausborgen und sich dann wieder selbst vernichten. Hin und wieder ist ein Photon darunter, das genau senkrecht auf die Spiegel des Versuchsaufbaus trifft und nicht mehr herauskommt aus dieser Falle. In einer zehntel Sekunde, bis das Photon sich wieder auflöst und die geliehene Energie zurückgibt ans Universum, wird es bis viele Milliarden Mal reflektiert und legt eine Strecke von ca. 40.000 km zurück.

Schickt man ein Rubidiumatom durch diesen Versuchsaufbau, so kann es das Photon nicht absorbieren, da es nur Lichtteilchen mit ganz bestimmter Energie aufnehmen kann (nämlich solche, die eines seiner Elektronen auf ein höheres Energieniveau heben). Aber ein Photon hat ein elektromagnetisches Feld und dieses verschiebt die Energieniveaus der Elektronen des Rubidiumatoms ein kleines bisschen. Und diese Verschiebungen sind messbar, wenn das Atom auf der anderen Seite des Versuchsaufbaus ankommt.
Das Schöne dabei ist, dass diese Verschiebungen dem Photon keine Energie kosten und man kann es so lange beobachten, wie es sich in der Kammer befindet, in dem man eine Rubidiumatom nach dem anderen hindurchschickt und schaut, ob die Energieniveaus verschoben sind, oder nicht.
So lässt sich das Photon quasi über seine ganze Lebensdauer beobachten, während das menschliche Auge (oder jeder andere Detektor) ein Photon immer nur ein einziges Mal sieht.

Schließlich ist es nicht nur interessant zu sehen, wie lange ein Photon, das aus einer Quantenfluktuation hervorgegangen ist, lebt, es ist auch ein bedeutender Schritt für die Entwicklung von Quantencomputern, denn hier lässt sich der Zustand eines Atoms mit einem Photon beeinflussen, was so wie der Stromfluss in einem Transistor von der angelegten Spannung in der klassischen Computertechnik ist.

Dr. David Wineland fängt keine Photonen, sondern Ionen, elektrisch geladene Atome. Im ersten Moment hört sich das leichter an, als Lichtteilchen festzuhalten. Aber ganz so einfach ist es nicht, denn die Falle arbeitet mit Laserstrahlen.
In der Regel rasen Atome in einem Gas wild hin und her, denn solange das Gas eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) hat, steckt Energie in den Atomen und das bedeutet, sie bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Also muss das Atom bis auf diese Temperatur abgekühlt werden, um es ungestört beobachten zu können.
Zunächst fängt man sich dazu ein paar Ionen (zum Beispiel Beryllium-Ionen) in einem elektromagnetischen Feld und kühlt diese mit konventionellen Methoden so weit wie möglich herunter. Danach wird es kompliziert.
Ein Laserstrahl kann man wie eine Welle betrachten und er verhält sich auch genauso, wenn man ihn zwischen Spiegeln reflektieren lässt. Wenn der Abstand der Spiegel einem Vielfachen der Wellenlänge des Lichts entspricht, dann entsteht eine sog. stehende Welle mit feststehenden Knoten und schwingenden Bäuchen. Ganz genauso, wie bei einer Gitarrensaite, die nur dann gut klingt, wenn die obige Bedingung erfüllt ist.

Und ein Atom, das bereits langsam genug ist, kann im Bauch einer stehenden Laserwelle gefangen werden. Es ist dann zwar nicht absolut ruhig, da die Quantenmechanik das verbietet, aber es kann immerhin bis auf den tiefsten möglichen Energiezustand gebracht werden. Man kann sich das vorstellen, wie eine Murmel in einer Kaffeetasse. Solange man die Tasse schüttelt, springt die Kugel darin herum (es ist Energie vorhanden). Schüttelt man die Tasse stärker, kann man so viel Energie hinzufügen, dass die Murmel herausspringt (das Atom entflieht aus der Ionenfalle). Und wenn man die Tasse ganz ruhig hält, so stellt man in der Quantenwelt fest, dass die Murmel trotzdem nicht still hält, sondern immer noch etwas zittert und sich bewegt.
Hat man diesen Punkt erreicht, dann können die Experimente beginnen.
Zum Beispiel kann man mit einem weiteren Laser gerade so viel Energie hinzufügen, die der Hälfte der Energie entspricht, die nötig wäre, um das Atom auf das nächsthöhere Energieniveau zuheben. Aber solche Zwischenzustände gibt es in der Quantenwelt nicht, und so kann es passieren, dass sich das Atom unentschlossen in einen Überlagerungszustand begibt, in welchem es sowohl im tiefen, als auch im nächsthöheren Energiezustand ist – bis eine Wechselwirkung stattfindet und die Zustandsfunktion zusammenbricht.

Für den Quantencomputer ist das eine feine Sache, denn mit diesen Energiezuständen lässt sich fast so rechen, wie mit den Bits in einem klassischen Computer (sie heißen dann Qubits). Ein wenig komplexer ist es schon, denn durch die Überlagerungen berechnet der Quantencomputer alle möglichen Lösungen einer Aufgabe gleichzeitig. Dr. Wineland hat in seinen Experimenten zeigen können, dass sich mit zwei Ionen in der Falle solche Operationen tatsächlich durchführen lassen. Jedes Ion, das zusätzlich in der Ionenfalle gehalten wird, verdoppelt theoretisch die Anzahl der Bits, die verarbeitet werden können. Mit einer Anzahl von n Atomen hat man also 2n Zustände und mit nur 300 Ionen könnte man mehr Zustände beobachten, als es Atome im Universum gibt. Kleiner Haken: Die Zustände müssen auch ausgelesen werden und bei Berechnnugen gibt es nicht nur ein richtiges Ergebnis, sondern alle Möglichen.
Zusätzlich lässt sich das gefangene Ion auch noch als Uhr gebrauchen. Zur Zeit verwendete Atomuhren nehmen die Schwingungen eines Cäsiumatoms im einem Mikrowellenfeld als Metronom, um die Zeit zu messen. Beryllium- oder Aluminiumionen in einem UV-Laser schwingen etwa 100.000-mal schneller, womit eine Uhr möglich sein sollte, die etwa 100-mal genauer geht, als eine Atomuhr. Statt mit GPS-Signalen einen Standort auf 10m genau festzulegen, könnte man damit zum Beispiel auf 30 cm kommen.


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