Forschern am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg ist es gelungen, die Bewegung der Elektronenpaare im Wasserstoffmolekül gezielt zu manipulieren.
Die Emissionsrichtung eines durch Licht freigesetzten Photoelektrons (eines Photons) relativ zum verbleibenden gebundenen Elektron im abgespaltenen neutralen Wasserstoffatom lässt sich durch den zeitlichen Abstand zweier Laserblitze in der Größenordnung von einigen hundert Attosekunden (10⁻¹⁸ s) steuern.
Die einstellbare Emissionsasymmetrie basiert auf der Quantenverschränkung zwischen dem gebundenen Elektron und dem räumlich getrennten emittierten Elektron.
Gehen wir nach links oder nach rechts? Eine grundlegende Frage, die bei einer Wanderung in unserer klassischen Welt (normalerweise) einfach zu beantworten ist, kann in der Quantenwelt der Elementarteilchen viel schwieriger zu beantworten sein. Elektronen und Protonen, die Bausteine der Moleküle, können in Zuständen existieren, die gleichzeitig nach links UND nach rechts gehen, und treffen ihre Entscheidung, sich in einer dieser Möglichkeiten zu „materialisieren“, erst im Moment ihrer Messung (z. B. durch Aufprall auf einen Teilchendetektor).
Dieses als Quantenverschränkung bezeichnete Phänomen bildet die Grundlage sogenannter Quantencomputer, in denen Informationen in Quantenbits (Qubits) gespeichert und verarbeitet werden, die Überlagerungen von gleichzeitig „rechts“ UND „links“ bzw. im Computerjargon „0“ UND „1“ ermöglichen.
Dadurch sind Quantenberechnungen auf solchen Maschinen weitaus leistungsfähiger als auf klassischen Computern, da im Grunde genommen mehrere Berechnungen, deren sequentielle Ausführung sonst lange dauern würde, nun alle gleichzeitig ausgeführt werden.
Doch es gibt auch Probleme: Die Programmierung von Quantencomputern ist komplex und erfordert viele Schritte, die Zeit in Anspruch nehmen – Zeit, während der die Quantenverarbeitungseinheit (aufgrund „Dekohärenz“) instabil werden kann.
Ein Team von Physikern des MPIK Heidelberg – Farshad Shobeiry, Patrick Fross, Hemkumar Srinivas, Thomas Pfeifer, Robert Moshammer und Anne Harth (jetzt Professorin an der Hochschule Aalen) – hat einen bedeutenden Schritt in Richtung einer dramatischen (> 100.000-fachen) Beschleunigung der Kontrolle verschränkter Quantenzustände von Nanosekunden auf Femto- (10⁻¹⁵ s) oder sogar Attosekunden (10⁻¹⁸ s) gemacht.
Die Forscher untersuchten die fundamentale Quantendynamik von Wasserstoffmolekülen (zwei Protonen, zwei Elektronen) in ihren Attosekundenlaserlabors und nahmen Elektronen und Protonen nach ihrer Wechselwirkung mit diesen ultrakurzen Lichtblitzen (Pulsen) auf. Sie fanden heraus, dass die Emissionsrichtung der Elektronen in Bezug auf die Protonen durch eine Verzögerung der Attosekundenpulse in Bezug auf die Maxima und Minima einer Laserlichtwelle auf einer Zeitskala von weniger als einer Femtosekunde verändert werden kann.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Wissenschaftliche Berichte.
Ein allgemeines Theoriemodell erklärte diesen Befund mit der oben erwähnten Überlagerung von Zuständen: Zwei Elektronen des Moleküls sind quantenmechanisch miteinander verschränkt, obwohl sie sich an unterschiedlichen Orten befinden (eines davon fliegt isoliert davon, das andere noch an ein Proton gebunden).
Die Theorie zeigte auch, dass diese Zustände, die den sogenannten Bell-Zuständen (einem Eckpfeiler der Quanteninformationstheorie) ähnlich sind, durch Attosekundenverzögerungen zwischen einem hochfrequenten (extrem ultraviolett, XUV) und einem niederfrequenten (Infrarot, IR) Lichtblitz verändert werden können.
Obwohl es noch zu früh ist, einen brauchbaren Quantencomputer auf der Grundlage dieser Idee zu entwerfen, liefert sie die grundlegenden physikalischen Erkenntnisse für die Programmierung von Quanteninformationen auf extrem kurzen Zeitskalen. Die Allgemeingültigkeit des Modells, das zur Erklärung des am MPIK Heidelberg durchgeführten Experiments verwendet wurde, erlaubt im Prinzip seine Übertragung von Wasserstoff auf jedes andere System, in dem zwei Lichtfarben „gemischt“ werden können, um eine Quantenkontrolle verschränkter Zustände auf der fundamentalen „ultraschnellen“ Zeitskala elektronischer Bewegung zu erreichen.
Weitere Informationen:
Farshad Shobeiry et al, Emissionskontrolle verschränkter Elektronen bei der Photoionisation eines Wasserstoffmoleküls, Wissenschaftliche Berichte (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-67465-0