Doppelpendel mit Atomwolken

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. Auf diesem Gebiet forscht der Kaiserslauterer Nachwuchs­wissenschaftler 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. Dabei 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 sich mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschreiben lassen. Die Kopplung zwischen beiden Gaswolken erfolgt durch den Austausch von 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 Wissenschaftler die quantenmechanische Kopplung der beiden Quantensysteme beobachten, indem sie die durch die Spiegel hindurch tretenden 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 Konsequenz der Heisenbergschen Unschärfer­elation 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.

TU Kaiserslautern / DE