{"id":178993,"date":"2019-07-26T11:30:25","date_gmt":"2019-07-26T09:30:25","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=178993"},"modified":"2019-07-26T11:30:25","modified_gmt":"2019-07-26T09:30:25","slug":"multidimensionaler-hyperwuerfel-quantenphysiker-entdecken-neuen-zustand-von-atomen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/multidimensionaler-hyperwuerfel-quantenphysiker-entdecken-neuen-zustand-von-atomen\/","title":{"rendered":"Multidimensionaler Hyperw\u00fcrfel: Quantenphysiker entdecken neuen Zustand von Atomen"},"content":{"rendered":"

Schr\u00f6dingers Katze<\/em> ist ein Begriff aus der Quantenphysik. Sie ist Synonym f\u00fcr den Zustand von Atomen, der in der Entwicklung von Quantentechnologien genutzt wird. Jetzt entdeckte ein Forscherteam eine neue Art von Quantenzust\u00e4nden. Es sind multidimensionale Hyperw\u00fcrfel<\/em>, die f\u00fcr hochsensible Quantensensoren nutzbar sind.<\/p>\n

Besonders deutlich zeigen sich die Unterschiede zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik im mikroskopisch Kleinen – zum Beispiel beim Aufbau von Atomen und Molek\u00fclen. Atome folgen eigenen Gesetzen und lassen sich nicht mit den Regeln der klassischen Physik beschreiben.<\/p>\n

Schr\u00f6dingers Katze<\/em> ist ein Gedankenexperiment, das der Wissenschaftstheoretiker und Begr\u00fcnder der Quantenmechanik, Erwin Schr\u00f6dinger,<\/em> 1935 formulierte. Dabei geht es um Zust\u00e4nde von sehr kleinen Teilchen, die zwei Zust\u00e4nde besitzen, sogenannte Superpositionen. Die beiden Zust\u00e4nde sind komplement\u00e4r und \u00fcberlagern sich. Erst eine Beobachtung beziehungsweise Messung l\u00e4sst das Teilchen einen bestimmten Zustand einnehmen. Die Beobachtung stellt eine Wechselwirkung dar, die das Teilchen mit der Umwelt eingehen muss, damit wir Information \u00fcber dieses erhalten. Solange wir das Teilchen nicht beobachten, k\u00f6nnen wir nicht sagen, in welchem Zustand es sich befindet.<\/p>\n

Quantenzustand: Superposition<\/h3>\n

Schr\u00f6dinger<\/em> beschreibt das Teilchen als Katze, die sich in einer geschlossenen Kiste mit einer Giftampulle befindet. Gelingt es der Katze, die Giftampulle zu \u00f6ffnen, stirbt sie, gelingt ihr dies nicht, bleibt sie am Leben. So lange die Katze nicht beobachtet wird, ist sie gleichzeitig tot und lebendig. Um ihren Zustand zu erkennen, muss die Kiste ge\u00f6ffnet werden.<\/p>\n

Baustein der Quantentechnologie<\/h3>\n

Schr\u00f6dinger<\/em> schuf mit seiner Katze einen wichtigen Baustein f\u00fcr moderne Quantentechnologien. Seit<\/em> 2001 ist sie allerdings nicht mehr allein. Damals wurde mit dem sogenannten Kompasszustand eine weitere Superposition entdeckt. Diese besteht nicht aus zwei, sondern aus vier klassischen Zust\u00e4nden, die wie die Hauptrichtungen eines Kompasses angeordnet sind.<\/p>\n

Forscher weltweit arbeiten daran, diese Bausteine in Quantensystemen wie einzelnen Atomen oder Lichtteilchen nachzubilden. So auch ein internationales Team von Physikern aus \u00d6sterreich, Australien und dem Vereinigten K\u00f6nigreich, das die Entwicklung von Quantensensoren anstrebt.<\/p>\n

Grenzen der Genauigkeit<\/h3>\n

Quantensensoren haben das Potenzial viel genauer zu messen als vergleichbare klassische Sensoren. Es sind quantenmechanische Effekte, die zu einer un\u00fcberwindbaren Grenze der Genauigkeit f\u00fchren, erkl\u00e4rt der Projektleiter Martin Ringbauer <\/em><\/a>vom Institut f\u00fcr Experimentalphysik<\/em><\/a> an der Universit\u00e4t Innsbruck<\/em>. Versucht man jedoch die Abst\u00e4nde zwischen den Messeinheiten kleiner und kleiner zu machen, st\u00f6\u00dft man fr\u00fcher oder sp\u00e4ter an eine quantenmechanische Grenze – das Heisenbergsche Unsch\u00e4rfeprinzip<\/em>\u201c, erl\u00e4utert Ringbauer<\/em>.<\/p>\n

Das Heisenbergsche Unsch\u00e4rfeprinzip<\/em> besagt, dass zwei Eigenschaften eines Quantenobjekts sich nicht gleichzeitig genau bestimmen lassen.<\/p>\n

Quantensensoren hingegen umgehen die Grenze der Genauigkeit durch die Verwendung von quantenmechanischen Eigenschaften wie Superposition und Verschr\u00e4nkung.<\/p>\n

\u201eBringt man ein Quantensystem in solch eine Superposition von zwei klassischen Zust\u00e4nden, so bilden sich sensible Interferenzph\u00e4nomene, welche man f\u00fcr Quantentechnologie nutzen kann.\u201c Martin Ringbauer<\/em><\/p><\/blockquote>\n

Der Forscher veranschaulicht das System mit der \u00dcberlagerung von Wasserwellen, die entstehen, wenn man zwei Steine gleichzeitig ins Wasser wirft.<\/p>\n

 <\/p>\n

Multidimensionale Hyperw\u00fcrfel<\/h3>\n

Bei ihren Experimenten entdeckten die Forschenden eine neue Art von Superposition, deren klassische Bausteine die Ecken von multidimensionalen Hyperw\u00fcrfeln<\/em> darstellen. Die Forscher arbeiteten mit winzigen Membranen, um Zust\u00e4nde f\u00fcr neuartige Quantensensoren zu entwickeln, als sie fast zuf\u00e4llig darauf stie\u00dfen.<\/p>\n

Die Quanten-Hyperw\u00fcrfel-Zust\u00e4nde scheinen besonders vielversprechend f\u00fcr die Konstruktion neuartiger Quantensensoren. Sie k\u00f6nnen die Grenze der Genauigkeit umgehen, in dem sie sich die Quanteninterferenz zu Nutze machen. \u201eAm Beispiel der Steine im Wasser sieht man, dass selbst gro\u00dfe Steine in der \u00dcberlagerung der Wellen zu feinen Mustern f\u00fchren. Diese k\u00f6nnen durchaus deutlich kleiner sein als die Steine, die sie ausl\u00f6sen, erkl\u00e4rt Ringbauer<\/em>. \u00c4hnlich sei es bei Quantenzust\u00e4nden. Die Zust\u00e4nde an den Ecken der multidimensionalen Hyperw\u00fcrfel<\/em> haben zwar eine Mindestgr\u00f6\u00dfe, aber dennoch werden die Interferenzmuster mit der Dimension des Hyperw\u00fcrfels immer feiner.<\/p>\n

 <\/p>\n

\"Multidimensionaler
Multidimensionaler Hyper-Quantenw\u00fcrfel (c) Equs<\/figcaption><\/figure>\n

Bild oben<\/strong>: Hyperkubische Zust\u00e4nde bestehen aus mehreren Quantensuperpositionen, die die Ecken von multidimensionalen W\u00fcrfeln abbilden.<\/em><\/p>\n

<\/h3>\n

Optische Quantensensoren<\/h3>\n

Aktuell befinden sich Quantensensoren noch im Entwicklungsstadium. Aber schon jetzt zeichnen sich vielversprechende Anwendungen ab. So erreichen zum Beispiel optische Quantensensoren eine h\u00f6here Genauigkeit mit weniger Licht. Dies ist besonders wichtig bei Untersuchungen von biologischen Systemen, wie etwa lebenden Zellen, welche extrem vorsichtig behandelt werden m\u00fcssen, so Ringbauer<\/em>. Ein m\u00f6gliches Einsatzgebiet sind zum Beispiel medizinische Methoden wie Magnetresonanztomographien und Ultraschalluntersuchungen.<\/p>\n

Das Projekt wurde unter anderem vom \u00d6sterreichischen Wissenschaftsfonds<\/em> (FWF<\/em><\/a>) und der Europ\u00e4ischen Union<\/em> unterst\u00fctzt. Der Artikel erschien im Fachmagazin Physical Review Letters<\/em><\/a>.<\/p>\n

 <\/p>\n

Publikation:<\/strong><\/p>\n

Quantum Hypercube States<\/a>. L.\u2009A. Howard, T.\u2009J. Weinhold, F. Shahandeh, J. Combes, M.\u2009R. Vanner, A.\u2009G. White, and M. Ringbauer. Phys. Rev. Lett. 123, 020402<\/p>\n

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Quantensensor zur Messung von Lichtteilchen<\/a><\/p>\n

Schr\u00f6dingers Katze lernt fliegen<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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