Schrödinger-Katze als Quantenverstärker
Über die quantenmechanische Verstärkung des Rückstoßmoments konnten Experimentalphysiker die Absorption eines einzelnen Photons detektieren.
Seit Jahrzehnten wird Licht dazu verwendet, die molekularen Strukturen von Materie zu verstehen. Bei einzelnen Molekülen ist dieses Signal jedoch verschwindend gering und kann meistens nicht vom Rauschen unterschieden werden. Mit einem eleganten quantenphysikalischen Trick ist es dem Team um Philipp Schindler vom Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck nun gelungen, das Spektrum eines einzelnen Calciumhydroxid-Moleküls zu messen.
Die Grundidee stammt aus der Quanteninformationsverarbeitung. Bei der Quantenlogik-Spektroskopie werden zwei Ionen über ihre elektromagnetische Wechselwirkung miteinander gekoppelt: Ein schwer zugängliches Molekülion und ein gut kontrollierbares Hilfsatom bewegen sich gemeinsam in einer Ionenfalle und tauschen so Information aus. Auf diese Weise lassen sich Techniken, die ursprünglich für Quantencomputer entwickelt wurden, auf Moleküle übertragen, die sich mit herkömmlichen Methoden kaum untersuchen lassen.
Absorbiert ein Molekül ein einzelnes Infrarot-Lichtteilchen, erhält es einen winzigen Impuls. Dieser Impuls ist normalerweise viel zu klein, um direkt gemessen zu werden. Das Innsbrucker Forschungsteam erreicht die nötige Empfindlichkeit zum Nachweis der Absorption einzelner Photonen, indem es ein Atom, das quantenmechanisch mit dem Molekül verschränkt wird, als Detektor nutzt. „Die Verschränkung der Teilchen in einen Schrödinger-Katzen-Zustand macht das System extrem empfindlich für kleinste Störungen“, erläutert Zhenlin Wu, der Erstautor der Studie. „Der winzige Rückstoß des absorbierten Photons wird mit diesem Katzen-Zustand messbar gemacht.“
Schrödingers Ameisenhaufen
Heiße Schrödinger-Katzen
Optische Schrödinger-Katzen
Die Geburt der Quantenelektronik
Neue Ufer für gequetschtes Licht
Mit Quanten zur Information
Auf diese Weise hat das Forschungsteam eine charakteristische Molekülschwingung &ndash die O-H-Streckschwingung &ndash des einfach positiv geladenen Calciumhydroxid-Molekülions ermittelt. Das von der Gruppe gemessene Spektrum stimmt gut mit entsprechenden theoretischen Berechnungen überein, die von Kooperationspartnern der Universität Warschau durchgeführt wurden.
Eine Besonderheit der Methode: Sie ist zerstörungsfrei, das Molekülion wird während der Untersuchung also weder zerstört noch chemisch verändert. Damit ermöglicht die Methode die Messung und Präparierung des Quantenzustands einer Vielzahl von Molekülarten und eröffnet einen Weg zur präzisen Spektroskopie komplexer Moleküle und zu vielen Anwendungen in zukünftigen Quantentechnologien mit Molekülen.
Die Grundlagen dafür legte Philipp Schindler mit einem ERC Starting Grant, den er 2020 für seine Forschung zu komplexen Quantensystemen erhalten hatte und in dessen Rahmen sein Team Methoden zur Kontrolle mehratomiger Moleküle in Ionenfallen entwickelte. Finanziell unterstützt wurde die aktuelle Forschungsarbeit unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Betty und Gordon Moore Foundation und der Forschungsförderungsgesellschaft FFG. [U Innsbruck / dre]
