Übergang zur Quantenwelt
Mithilfe von Metamaterialien wollen Forscher 100 verschränkte Photonen gleichzeitig untersuchen.
Der Theoretische Physiker Frank Wilhelm-Mauch und sein Team von der Universität des Saarlandes haben mit mathematischen Methoden ein Mikro-Labor entwickelt, das es möglich machen soll, den Übergang der Makro- zur Quanten-Welten in einem steuerbaren System zu untersuchen. Es ähnelt einem Stück gewöhnlichem Antennenkabel. „Wir erwarten, dass die Quanteneigenschaften bei einer bestimmten Größe schwächer werden oder sogar ganz verloren gehen. Um diesen Übergang gezielt zu erforschen und den Quantenzustand gezielt zu untersuchen, stellen wir mit unserem neuartigen Konzept ein sehr großes Testsystem von hundert unterscheidbaren Photonen als Grundlage für Messungen bereit, und zwar ohne, dass eines dabei verloren geht. Das Kabel wird aus supraleitendem Material bestehen und die Untersuchungen erfolgen bei tiefen Temperaturen“, erklärt Wilhelm-Mauch.
Abb.: Schematische Darstellung des „Metamaterials“, es besteht aus einer Reihenschaltung winziger Kondensatoren und Spulen. (Bild: AG F. Wilhelm-Mauch)
Bislang sind solche Unterfangen verlustreich: Von hundert Photonen kann mit den heute existierenden Methoden im Endeffekt nur eines untersucht werden. Da die Lichtquanten gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen, ist eine Messung zudem, sobald sie erfolgt, nur ein winziger Ausschnitt aus einem höchst komplexen Vorgang: Der Messwert beschreibt immer nur einen einzigen der Zustände. „Aus diesem Grund machen wir unser Testsystem mit hundert Photonen so groß wie heute möglich, um diese hochverschränkten, also miteinander verwobenen Vorgänge zu untersuchen. Die Messwerte erlauben damit eine erheblich genauere Sicht auf die Abläufe“, erklärt er.
Die Forscher überlisten hierzu die Gesetze der klassischen Optik. Sie kombinieren die Quantenoptik mit „linkshändigen Medien“ und leiten hierfür Photonen durch ein Metamaterial. Solche Gitter aus Nanostrukturen, an denen schon seit längerem geforscht wird, haben eine besondere Fähigkeit: Licht, das auf sie fällt, wird stärker gebrochen als in der Natur, also wie zum Beispiel von Wasser. Die Saarbrücker Physiker haben mathematisch ein solches Gitter für Photonen der Mikrowellenstrahlung maßgeschneidert, das erstmals gut genug für quantenoptische Untersuchungen ist. Es besteht aus einer Reihenschaltung winziger Kondensatoren und Spulen. Mit diesem Wellenleiter können sehr viele Photonen auf kleinsten Raum gepackt und im Kabel geführt werden. Dies wollen die Forscher für quantenoptische Messungen nutzen.
Das Wissen über diese Schnittstelle kann das Wissen über unsere Welt genauer machen, denn auch hier zeigen sich Quanteneffekte. So könnten sich neue Möglichkeiten etwa für Quantencomputer eröffnen: „Wenn wir herausfinden, wie groß ein Quantensystem maximal sein kann, damit es noch quantenmechanischen Gesetzen folgt, könnten wir die Speicherkapazität so groß wie möglich machen“, erklärt Wilhelm-Mauch. Der Theoretische Physiker forscht im internationalen Forschungsnetzwerk „Scaleqit“ an Quantencomputern und hat bereits einen hocheffizienten Mikrowellen-Detektor entwickelt, der Photonen mit hundertprozentiger Effizienz nachweisen kann.
UdS / PH
