Experten der Universität Bonn erklärten das Prinzip des neuen Experiments anhand eines einfachen Beispiels. Angenommen, Sie
Ein kleiner Trick hilft ihm dabei:Während der Kellner seine Schritte beschleunigt, kippt er das Tablett leicht, damit der Champagner nicht aus den Gläsern fließt. Auf halbem Weg zum Tisch kippt er ihn in die entgegengesetzte Richtung und verlangsamt sich. Erst wenn es zum Stillstand kommt, hält es es wieder aufrecht.
Atome sind etwas wie Champagner.Sie können als Materiewellen beschrieben werden, die sich nicht wie eine Billardkugel, sondern wie eine Flüssigkeit verhalten. Wer also Atome so schnell wie möglich von einem Ort zum anderen bringen will, muss an Silvester so geschickt sein wie ein Kellner. „Trotzdem gibt es ein Tempolimit“, erklärt Dr. Andrea Alberti, die die Studie am Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn leitete.
In ihrer Studie gehen Wissenschaftler experimentell vorhabe herausgefunden, wo genau diese Grenze liegt. Sie verwendeten ein Cäsiumatom als Champagner-Ersatz und zwei perfekt überlagerte, aber gegeneinander gerichtete Laserstrahlen. Diese Überlagerung, die Physiker Interferenz nennen, erzeugt eine stehende Lichtwelle: ähnlich einer Abfolge von „Bergen“. und „Täler“, die sich zunächst nicht bewegen. „Wir haben ein Atom in eines dieser Täler geladen und dann eine stehende Welle in Bewegung gesetzt – dadurch hat sich die Position des Tals selbst verschoben“, erklärt Alberti. „Unser Ziel war es, das Atom in kürzester Zeit an den richtigen Ort zu bringen, ohne es aus dem „Tal“ zu schleudern.“
Dass es im Mikrokosmos eine Begrenzung gibtGeschwindigkeit wurde vor mehr als 60 Jahren von zwei sowjetischen Physikern, Leonid Mandelstam und Igor Tamm, theoretisch demonstriert. Sie zeigten, dass die maximale Geschwindigkeit eines Quantenprozesses von der Energieunsicherheit abhängt. Im Wesentlichen kommt es darauf an, wie „frei“ das kontrollierte Teilchen im Verhältnis zu seinen möglichen Energiezuständen ist: Je mehr Energiefreiheit es hat, desto schneller ist es. Beim Atomtransfer beispielsweise gilt: Je tiefer das „Tal“, in dem ein Cäsiumatom gefangen ist, desto größer ist die Energieverteilung der Quantenzustände im Tal und desto schneller kann es letztendlich übertragen werden. Ähnliches lässt sich am Beispiel eines Kellners beobachten: Wenn er die Gläser nur zur Hälfte füllt, ist es weniger wahrscheinlich, dass er Champagner verschüttet, wenn er schneller und langsamer wird. Allerdings lässt sich die Energiefreiheit eines Teilchens nicht beliebig vergrößern. „Wir können unser ‚Tal‘ nicht schaffen. unendlich tief – das würde zu viel Energie kosten“, betont Alberti.
Das Tempolimit von Mandelstam und Tamm -grundlegende Einschränkung. Dies kann jedoch nur unter bestimmten Umständen erreicht werden, nämlich in Systemen mit nur zwei Quantenzuständen. „In unserem Fall geschieht dies beispielsweise, wenn Ursprung und Ziel sehr nahe beieinander liegen“, erklärt die Physikerin. "Dann überlappen sich die materiellen Wellen des Atoms an beiden Stellen, und das Atom kann auf einmal direkt an sein Ziel geliefert werden, dh ohne Zwischenstopps."
Die Situation ändert sich jedoch, wenn die Entfernungsteigt wie im Bonner Experiment auf mehrere zehn Werte der Breite der Materiewelle an. Eine direkte Teleportation ist in diesen Entfernungen nicht möglich. Stattdessen muss das Teilchen mehrere Zwischenzustände durchlaufen, um sein endgültiges Ziel zu erreichen: Das zweistufige System wird mehrstufig. Die Studie zeigt, dass für solche Prozesse eine niedrigere Geschwindigkeitsbegrenzung gilt als von den beiden sowjetischen Physikern vorhergesagt. Der Punkt ist, dass es nicht nur durch die Unsicherheit der Energie bestimmt wird, sondern auch durch die Anzahl der Zwischenzustände. Die neue Arbeit verbessert somit das theoretische Verständnis komplexer Quantenprozesse und ihrer Grenzen.
Die Schlussfolgerungen der Physiker sind nicht zuletzt wichtig fürQuanten-Computing. Die Berechnungen, die mit Quantencomputern möglich sind, basieren hauptsächlich auf der Manipulation von Mehrebenensystemen. Quantenzustände sind jedoch sehr fragil. Sie dauern nur eine kurze Zeit - die Zeit der Kohärenz. Die neue Studie zeigt die maximale Anzahl von Operationen, die Wissenschaftler während der Ausrichtungszeit ausführen können. Dadurch kann es optimal genutzt werden.
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