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Wie die Physik-Nobelpreisträger subatomare Teilchen einsperren

2021

Ob sichere Kommunikation durch Partikelteleportation oder superschnelle Rechenleistung - die Quantenmechanik, diese umwerfende Welt der Kleinsten, steht an der Spitze der modernen Physik. Diese Zukunftstechnologie wäre jedoch ohne die Durchbrüche der diesjährigen Physik-Nobelpreisträger nicht realisierbar - keines davon wäre sogar testbar.

Serge Haroche und David Wineland entwickelten beide Methoden, um fragile, flüchtige Quantenzustände zu kontrollieren und zu messen, was für unmöglich gehalten wurde. Ihre Arbeit hat es ermöglicht, nicht nur theoretische, sondern auch reale Studien über die Beziehungen zwischen Licht und Materie auf kleinstmöglicher Ebene durchzuführen, bei denen die regulären Gesetze der Physik zusammenbrechen. Die Natur der Quantenmechanik ließ ihre Arbeit unmöglich erscheinen, doch hier sind wir.

Um die Quantenunsicherheit zu verstehen, beginnen Sie mit Schrödingers Katze. Die Fantasy-Katze existiert in einer Kiste in beiden möglichen Zuständen gleichzeitig: Sie ist tot und lebendig, alles für alle Menschen in allen Szenarien. Aber sobald Sie die Schachtel öffnen, dh sobald Sie ihren Zustand messen, ist die Katze nur die eine oder andere. Ihre Messung erzwingt eine Wahl, die einer Änderung des Quantensystems entspricht. Dies ist der Fall für alle Quantensysteme, die in allen ihren Zuständen gleichzeitig existieren, bis Sie einen Blick auf sie werfen. Wineland und Haroche haben beide Wege gefunden, um dies zu umgehen, erklärte Bill Phillips, Winelands Kollege am National Institute of Standards and Technology und selbst Nobelpreisträger.

Ihre Methoden sind unglaublich ähnlich, aber sie verwenden unterschiedliche Techniken: Wineland fängt Ionen ein und misst sie mit Licht oder Photonen, während Haroche Photonen fängt und sie mit Atomen misst.

Wineland beschrieb und demonstrierte als erster die Abkühlung eingefangener Ionen, bei denen es sich um elektrisch geladene Atome im Vakuum handelt. Er fängt sie ein, indem er positiv geladene Atome in einem elektrischen Feld umgibt. Dann strahlt er einen Laserstrahl auf sie, der sie effektiv drückt und sie verlangsamt. (Langsamer bedeutet kühler.) "Wenn sie kalt sind, ist es sehr wichtig, sie unter Kontrolle zu halten. Wenn sie wirklich kalt sind, können Sie interessante Dinge mit ihnen machen, sagte Phillips. Hier einige Beispiele:

Jede Uhr braucht einen Ticker, um rechtzeitig vorwärts zu zählen, und der beste Ticker ist ein Atom selbst; noch besser ist ein einzelnes Atom, ganz allein und ununterbrochen von irgendetwas anderem, sogar einem anderen Atom. NIST ist auf den Bau von Atomuhren spezialisiert, und aus Winelands Falle wurden die genauesten Uhren aller Zeiten hergestellt. "Er konnte eine Uhr herstellen, die so gut ist - es ist die beste Uhr, die jemals hergestellt wurde -, dass sie, wenn sie über einen langen Zeitraum betrieben würde, in 3 Milliarden Jahren nur eine Sekunde gewinnen oder verlieren würde, sagte Phillips." Das nennen wir "nah genug für die Regierungsarbeit" ", fügte er lachend hinzu. Diese äußerst genaue Uhr wurde verwendet, um Einsteins Relativitätstheorie und den Einfluss der Schwerkraft auf den Zeitverlauf zu messen.

Das Laserlicht kann auch verwendet werden, um das Ion in einen Überlagerungszustand zu versetzen - genau wie Schrödingers Katze kann es sich gleichzeitig in zwei verschiedenen Zuständen befinden. Winelands Methoden ordnen die Ionen in zwei verschiedene Energieniveaus ein. Es beginnt in einem Niedrigenergiezustand und ein Laserpuls treibt es fast, aber nicht ganz in Richtung seines höheren Energiezustands. Auf diese Weise ist es eine Mischform, die in Überlagerung von Energiezuständen zwischen zwei Ebenen steckt.

"Dave würde wahrscheinlich sagen, dass es ein Schrödinger-Kätzchen oder ein embryonales Kätzchen war. Aber es ist die Art von Ding, das zeigt, was an der Quantenmechanik, die Phillips sagte, so seltsam ist." Es war nur wegen der Fortschritte möglich, die Dave machte. "

Diese Energiebegrenzung kann untersucht werden, auch mit dem Laser, um Photonen messbar zu streuen.

Haroche nutzt einen Mikrowellenhohlraum, um Photonen einzufangen, die Lichtteilchen sind. Dann misst er mit Atomen, was sie tun. Die Photonen induzieren eine Änderung des Energiezustands der Atome, wodurch Informationen über die Photonen bereitgestellt werden. Dies nennt man Quantenverschränkung; Was auch immer mit den Photonen passiert, passiert auch mit den Atomen, so dass Haroche ihre Übergänge über die Zeit untersuchen kann, ohne sie tatsächlich direkt zu messen. Wenn Sie versucht haben, die Photonen mit einem Detektor zu betrachten, funktioniert das nicht, erklärte Phillips.

"Wenn Sie das tun, frisst der Detektor die Photonen. Sie sind weg. Was Haroche getan hat, ist, sie in den Hohlraum zu legen, zu bestätigen, dass sie dort sind, und ein Atom einzusenden. Er sieht das Licht - es ist wirklich Mikrowellen - und die bestimmte Intensität dieser Mikrowellen. Auf der Grundlage dieser Intensität kann das Atom beginnen, seinen Quantenzustand zu ändern. "

Die Überlagerungsauferlegung ist auch die Basis von Quantentoren, die ein entscheidendes Element von Quantencomputern sind, stellte Phillips fest. Winelands Gruppe demonstrierte als erste eine Quantenoperation mit zwei Quantenbits. Eines Tages könnte dies verwendet werden, um einen Quantencomputer zu erschaffen, der frei von Binärcode ist. Anstelle einer Eins oder Null ist ein Quantenbit sowohl Null als auch Eins. Zwei Qubits können vier Dinge gleichzeitig sein - 00, 01, 10, 11 - und so weiter, bis Sie einen 300-Qubit-Computer erreichen, der mehr mögliche Zustände als alle Atome im Universum enthält.

Haroche kann auch ein Quantensystem aufbauen, dessen Ausgangszustand unbekannt ist. Dies ist für Quantencomputer und Kryptografie von enormer Bedeutung. Sie können mit einer unbestimmten Anzahl von Photonen beginnen und eine Reihe von Messungen durchführen, die absichtlich Änderungen am System bewirken und den Bereich der Photonen einschränken, von denen Sie vermuten können, dass sie sich dort befinden könnten. Sekundärmessungen, möglicherweise unter Verwendung von Atomen mit einer anderen Geschwindigkeit, liefern weitere Informationen und geben Aufschluss darüber, wie viele Atome vorhanden sind und was sie tun. „Was Sie aufgrund der Messung getan haben, ist, sie zur Auswahl zu bringen, welche von denen, von denen Phillips sagte, zu wählen." Sie haben die Natur gezwungen, die verschiedenen Möglichkeiten zu wählen, die ihr innewohnen und die es sein würden. "

John Haynes, Vice President of Publishing für das American Institute of Physics, sagte, Haroche und Wineland hätten einige der einflussreichsten Forschungen in der modernen Physik durchgeführt. "Die Quantenmechanik war einst nur Theorie und Philosophie, aber durch diese Arbeit und die ständige Forschung anderer testen, manipulieren und bauen wir jetzt auf diesen wissenschaftlichen Prinzipien auf, sagte er.

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