Mit dem Tennisschläger in die Quantenwelt

Der Flug eines Tennisschlägers durch die Luft hilft, das Verhalten von Quanten vorher­zusagen. „Durch eine Ana­logie aus der klas­sischen Physik können wir zuver­lässige Steue­rungen von Phäno­menen der Quanten­welt effi­zienter ent­werfen und veran­schau­lichen“, berichtet Steffen Glaser von der TU München. „Die Eigen­schaften von Quanten zu kontrol­lieren und für tech­nische Prozesse zu nutzen, ist bisher schwer, denn die Quanten folgen ihren eigenen Gesetzen, die unsere Vor­stel­lungs­kraft oft über­steigen. Mögliche Anwen­dungen wie abhör­sichere Netz­werke, hoch­empfind­liche Mess­geräte und ultra­schnelle Quanten­computer stecken daher noch in den Kinder­schuhen.“

„Will man Quanteneffekte technisch nutzen, indem man das Verhalten der Teil­chen durch elektro­magne­tische Felder beein­flusst, braucht man mög­lichst schnelle Methoden, um fehler­tolerante Steuerungs­sequenzen ent­werfen zu können“, so Glaser weiter. „Bisher basieren die meisten der Methoden jedoch auf sehr auf­wändigen rechne­rischen Ver­fahren.“ Zusammen mit einem inter­natio­nalen Forscher­team hat Glaser einen uner­war­teten, neu­artigen Ansatz gefunden: Mit Hilfe des Tennis­schläger-Effekts, eines seit langem bekannten Phäno­mens aus der klas­sischen Mechanik, kann veran­schau­licht werden, wie der Dreh­impuls von Quanten durch elektro­magne­tische Steuer­befehle zuver­lässig ver­ändert werden kann.

Der Tennisschläger-Effekt beschreibt, was passiert, wenn man einen Schläger in die Luft wirft und ihn dabei in Rota­tion ver­setzt. Wer versucht, den Schläger während des Flugs um seine Quer­achse rotieren zu lassen, erlebt eine kleine Über­raschung: Gleich­zeitig mit der beab­sich­tigten 360-Grad-Drehung um die Quer­achse voll­führt der Schläger fast immer eine zusätz­liche Drehung um 180 Grad um seine Längs­achse. Fängt man den Schläger auf, zeigt die ehe­malige Unter­seite nach oben.

„Verantwortlich für diesen Effekt sind kleine Ungenauigkeiten und Störungen beim Abwurf und die unter­schied­lichen Träg­heits­momente der drei Achsen eines unsym­me­trischen Körpers“, erläutert Glaser. Die längste und die kürzeste Rota­tions­achse sind stabil. Die mitt­lere Achse, im Fall des Tennis­schlägers die Quer­achse, ist jedoch unstabil und schon mini­male Stö­rungen führen sehr zuver­lässig zu einer zusätz­lichen Drehung um 180 Grad.

Auch Quanten haben ein Drehmoment, den Spin. Dieser lässt sich durch Anlegen elektro­magne­tischer Felder beein­flussen. „Das Ziel der Quanten­technik ist es, die Aus­rich­tung des Spins gezielt zu ver­ändern und dabei Fehler durch kleine Stö­rungen zu mini­mieren“, so Glaser.

Die gefundene mathematische Analogie zwischen den geo­me­tri­schen Eigen­schaften der klassi­schen Physik frei rotie­render Objekte und der Steue­rung von Quanten­phäno­menen kann jetzt genutzt werden, um die elektro­magne­tisch Steue­rung von Quanten­zu­ständen zu opti­mieren. Dass der Tennis­schläger-Effekt tat­säch­lich dabei hilft, die Robust­heit von Steue­rungs-Sequenzen zu ver­bessern, konnte das Team durch Mes­sungen an Kern­spins experi­mentell bestä­tigen. „Auf der Basis dieser Forschungs­ergeb­nisse können wir nun effi­zi­entere mathe­matische Modelle ent­wickeln, mit denen sich Fehler bei der Steue­rung von Quanten­pro­zes­soren ver­meiden lassen“, so Glaser. „Auf­bauend auf den wohl­ver­stan­denen Phäno­menen der klas­sischen Physik kann damit die Ent­wick­lung zuver­lässiger Steue­rungs­sequenzen in der Quanten­techno­logie nicht nur veran­schau­licht, sondern auch wesent­lich beschleunigt werden.“

TUM / RK