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Kopplung von Quantenobjekten mit Licht am Limit

Schematische Darstellung des Quanten-Experiments: Zwei durch Licht gekoppelte Pendel. Quelle: TU Kaiserslautern.

In vielen aktuellen Fragen in der Physik spielen komplexe Quantensysteme, zusammengesetzt aus gekoppelten einfachen Elementen, eine wesentliche Rolle. Sie sind auch ein ausgezeichnetes Modellsystem für neue Anwendungen in der Quantentechnologie. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der experimentellen Erzeugung und Kontrolle individueller Quantensysteme gemacht. Der Schlüssel für technologische Anwendungen, wie beispielsweise Quanteninformationsverarbeitung, ist es, diese einzelnen Systeme unter Erhaltung ihrer Quanteneigenschaften gezielt miteinander wechselwirken zu lassen.

Auf diesem Gebiet forscht der Kaiserslauterer Nachwuchswissenschaftler Dr. Nicolas Spethmann, der sich zur Zeit im Rahmen des Marie Curie-Programms der EU an der University of California in Berkeley aufhält. In dem Forschungsprojekt wird das aus der Schulphysik wohlbekannte System zweier durch eine Feder verbundener Pendel in die Quantenwelt übertragen. Wie aus dem Alltag bekannt, führt die Auslenkung nur eines Pendels durch die Kopplung zu einer Schwingung auch des anderen Pendels, wobei die mechanische Energie periodisch zwischen den Pendeln hin und her wechselt.

Für das Pendant aus der Quantenwelt wählten Spethmann und Kollegen als Pendel ultrakalte Gaswolken aus tausenden Atomen, die durch Lichtkräfte im Vakuum gehalten werden und mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben werden können. Die Kopplung zwischen beiden Gaswolken erfolgt durch den Austausch von einzelnen Lichtanregungen, sogenannten Photonen. Um den winzigen Effekt einzelner Photonen zu verstärken, findet das Experiment zwischen fast perfekten Spiegeln statt, in denen ein einzelnes Photon bis zu einige zehntausend Mal hin und her reflektiert wird. Damit können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die quantenmechanische Kopplung der beiden Quantensysteme durch die Lichtwechselwirkung beobachten, indem sie die durch die Spiegel hindurchtretenden Photonen detektieren.

Nach den Gesetzen der Quantenmechanik bleibt der Beobachtungsvorgang allerdings nicht ohne Folge für das experimentelle System, sondern stört die gewünschte Dynamik der gekoppelten Quantensysteme. Diese als Heisenbergsche Unschärferelation bekannte Konsequenz der Quanteneigenschaften können Spethmann und Kollegen charakterisieren. Es handelt sich um eine grundsätzliche Limitierung für quantentechnologische Anwendungen, die nicht durch einfache, technische Verbesserungen aufgehoben, sondern nur durch weitergehende Quantenkontrolle in einigen Fällen umgangen werden kann. Der große Erfolg der Studie ist es, in der Kopplung zweier Quantenvielteilchensysteme diese fundamentale Grenze zu erreichen.

Die Ergebnisse demonstrieren die Möglichkeiten, aber auch Herausforderungen, mit Licht Quantenobjekte zu koppeln, und helfen, die Konsequenzen in Anwendungen der Quantentechnologie besser zu kontrollieren. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich von Spethmann und seinen amerikanischen Kolleginnen und Kollegen in der hochangesehenen Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht (Nicolas Spethmann, Jonathan Kohler, Sydney Schreppler, Lukas Buchmann and Dan M. Stamper-Kurn: Cavity-mediated coupling of mechanical oscillators limited by quantum back-action; Nature Physics, 2015, DOI: 10.1038/NPHYS3515).

Spethmann wird seine Forschung ab Mai 2016 an der TU Kaiserslautern im Umfeld der Arbeitsgruppe von Professor Artur Widera (Fachbereich Physik und Forschungszentrum OPTIMAS) fortsetzen.