Quanten-Zwillinge aus dem Atom-Chip

Aus einem ultrakalten Bose-Einstein-Kondensat in einem speziell designten Atom-Chip lassen sich korrelierte Atompaare erzeugen.

Objekte, die voneinander weit entfernt sind, sich aber trotzdem nicht getrennt voneinander verstehen und beschreiben lassen – sie gehören zu den erstaunlichsten Merkwürdigkeiten der Quantenphysik. Photonenpaare, wie sie in speziellen Kristallen erzeugt werden sind ein prominentes Beispiel (down conversion Kristall – optische parametrische Oszillatoren). Durch sie kann man Quantenzustände teleportieren oder Daten mittels Quantenkryptografie abhörsicher übertragen. In Zukunft werden solche Experimente nicht nur mit Lichtteilchen möglich sein: Forschern um Jörg Schmiedmayer von der Technischen Universität Wien gelang es mithilfe von ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten eine Methode zu entwickeln, korrelierte Atompaare zu erzeugen.

Um die quantenphysikalisch korrelierten Atome zu erzeugen, stellte man zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat her. „Der Schlüssel zum Erfolg liegt in unseren Atom-Chips“ erklärt Thorsten Schumm von der TU Wien. Mit diesen maßgeschneiderten Chip-Strukturen können Atome ganz gezielt manipuliert und gesteuert werden. So ist es möglich, den Atomen des ultrakalten Bose-Einstein-Kondensates gezielt ein Quantum Schwingungsenergie zuzuführen. Wenn die Atome dann wieder in den Zustand niedrigster Energie zurückkehren, muss das Kondensat die überschüssige Energie wieder loswerden. Durch das spezielle Design des Atom-Chips hat das Bose-Einstein-Kondensat nur eine einzige Möglichkeit, Energie abzugeben: Die Aussendung von Atom-Paaren. Alle anderen Varianten sind quantenphysikalisch verboten. Nach dem Gesetz der Impulserhaltung bewegen sich die beiden ausgesandten Atome dann in genau entgegengesetzte Richtungen auseinander. Der Prozess ist analog zu dem Effekt, der in speziellen nicht-linearen Kristallen bei der Erzeugung von Lichtteilchen-Paaren auftritt (optischer parametrischer Oszillator), aber nun funktioniert er nicht nur für Licht sondern auch für Materieteilchen.

Die ausgesandten Atom-Zwillinge bilden dann ein gemeinsames Quanten-Objekt – ein Atom kann nicht mathematisch beschrieben werden, ohne gleichzeitig auch das andere zu beschreiben. „Diese Atome werden wir in Zukunft für spannende Versuche nützen“, ist Schmiedmayer zuversichtlich. „Ein unglaublich aufregendes Forschungsgebiet tut sich hier auf. Welche neuen Erkenntnisse oder Anwendungsmöglichkeiten sich daraus ergeben werden, ist heute noch gar nicht absehbar. Es ist gut vorstellbar, dass durch diese korrelierten Atomstrahlen neue Quanten-Messverfahren ermöglicht werden, mit einer Präzision, die die Möglichkeiten der klassischen Physik bei weitem übersteigt.“

Technische Universität Wien / AL