Untersuchung von Photonen in der Quanteninformatik zeigt, dass bei der Kollision von Photonen Wirbel entstehen

Wirbel sind ein weit verbreitetes physikalisches Phänomen. Man findet sie in der Struktur von Galaxien, Tornados und Hurrikanen, aber auch in einer Tasse Tee oder in Wasser, das aus der Badewanne abläuft.

Normalerweise bilden sich Wirbel, wenn sehr schnell fließende Luft, Wasser oder eine andere Substanz auf einen Bereich mit langsamerer Strömung trifft. Sie zeichnen sich durch eine kreisförmige Strömung um eine stationäre Achse aus. Die Rolle von Wirbeln besteht daher darin, die Spannung zwischen benachbarten Bereichen mit unterschiedlich schnellen Strömungen zu überbrücken.

Eine bisher unbekannte Wirbelart wurde nun in einer Studie entdeckt veröffentlicht In Wissenschaftgeleitet von Dr. Lee Drori, Dr. Bankim Chandra Das, Tomer Danino Zohar und Dr. Gal Winer vom Labor von Prof. Ofer Firstenberg in der Abteilung für Physik komplexer Systeme des Weizmann Institute of Science.

Die Forscher suchten nach einer effizienten Methode, Photonen zur Datenverarbeitung in Quantencomputern zu nutzen und fanden etwas Unerwartetes: Sie stellten fest, dass in dem seltenen Fall, dass zwei Photonen interagieren, Wirbel entstehen. Diese Entdeckung trägt nicht nur zum grundlegenden Verständnis von Wirbeln bei, sondern könnte letztendlich auch zum ursprünglichen Ziel der Studie beitragen, die Datenverarbeitung in Quantencomputern zu verbessern.

Die Wechselwirkung zwischen Photonen – Lichtteilchen, die sich ebenfalls wie Wellen verhalten – ist nur in Gegenwart von vermittelnder Materie möglich. In ihrem Experiment zwangen die Forscher Photonen zur Wechselwirkung, indem sie eine einzigartige Umgebung schufen: eine 10 Zentimeter große Glaszelle, die bis auf Rubidiumatome, die in der Mitte des Behälters so dicht gepackt waren, dass sie eine kleine, dichte Gaswolke von etwa einem Millimeter Durchmesser bildeten, völlig leer war.

Die Forscher schossen immer mehr Photonen durch diese Wolke, untersuchten ihren Zustand nach dem Durchgang und prüften, ob sie sich gegenseitig in irgendeiner Weise beeinflussten.

„Wenn die Photonen die dichte Gaswolke durchdringen, versetzen sie eine Reihe von Atomen in elektronisch angeregte Zustände, die als Rydberg-Zustände bekannt sind“, erklärt Firstenberg. „In diesen Zuständen beginnt eines der Elektronen im Atom, sich auf einer Umlaufbahn zu bewegen, die 1.000 Mal größer ist als der Durchmesser eines nicht angeregten Atoms. Dieses Elektron erzeugt ein elektrisches Feld, das eine große Anzahl benachbarter Atome beeinflusst und sie in eine Art imaginäre „Glaskugel“ verwandelt.“

Das Bild einer Glaskugel spiegelt die Tatsache wider, dass das zweite Photon in dem Bereich die vom ersten Photon geschaffene Umgebung nicht ignorieren kann und als Reaktion darauf seine Geschwindigkeit ändert – als ob es durch Glas gegangen wäre.

Wenn also zwei Photonen relativ nahe beieinander vorbeifliegen, bewegen sie sich mit einer anderen Geschwindigkeit, als wenn jedes für sich allein unterwegs wäre. Und wenn sich die Geschwindigkeit des Photons ändert, ändert sich auch die Position der Spitzen und Täler der von ihm getragenen Welle.

Im Optimalfall für die Verwendung von Photonen in der Quanteninformatik kehren sich die Positionen der Spitzen und Täler aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung der Photonen vollständig zueinander um – ein Phänomen, das als 180-Grad-Phasenverschiebung bekannt ist.

Die Richtung, die die Forschung einschlug, war so einzigartig und außergewöhnlich wie die Wege der Photonen in der Gaswolke. Die Studie, an der auch Dr. Eilon Poem und Dr. Alexander Poddubny teilnahmen, begann vor acht Jahren und hat zwei Generationen von Doktoranden durch Firstenbergs Labor gehen lassen.

Mit der Zeit gelang es den Weizmann-Wissenschaftlern, eine dichte, ultrakalte Gaswolke voller Atome zu erzeugen. Dabei erreichten sie etwas noch nie Dagewesenes: Photonen, die eine Phasenverschiebung von 180 Grad – und manchmal sogar mehr – erfuhren.

Wenn die Gaswolke am dichtesten war und die Photonen nah beieinander lagen, übten sie die größte gegenseitige Beeinflussung aus. Wenn sich die Photonen jedoch voneinander entfernten oder die Atomdichte um sie herum abnahm, schwächte sich die Phasenverschiebung ab und verschwand.

Man ging davon aus, dass diese Abschwächung ein schleichender Prozess sein würde, doch die Forscher erlebten eine Überraschung: Wenn zwei Photonen einen bestimmten Abstand voneinander hatten, bildeten sich Wirbelpaare. In jedem dieser Wirbel vollzogen die Photonen eine 360-Grad-Phasenverschiebung, und in ihrem Zentrum gab es fast gar keine Photonen – genau wie in dem dunklen Zentrum, das wir von anderen Wirbeln kennen.

Um Photonenwirbel zu verstehen, denken Sie daran, was passiert, wenn Sie eine vertikal gehaltene Platte durch das Wasser ziehen. Die schnelle Bewegung des von der Platte geschobenen Wassers trifft auf die langsamere Bewegung um sie herum. Dadurch entstehen zwei Wirbel, die von oben betrachtet gemeinsam entlang der Wasseroberfläche zu wandern scheinen, in Wirklichkeit aber Teil einer dreidimensionalen Konfiguration sind, die als Wirbelring bezeichnet wird. Der untergetauchte Teil der Platte bildet einen halben Ring, der die beiden an der Oberfläche sichtbaren Wirbel verbindet und sie dazu zwingt, sich gemeinsam zu bewegen.

Ein weiteres bekanntes Beispiel für Wirbelringe sind Rauchringe. Im letzten Stadium der Studie beobachteten die Forscher dieses Phänomen, als sie ein drittes Photon hinzufügten, was den Ergebnissen eine zusätzliche Dimension verlieh. Die Wissenschaftler entdeckten, dass die beiden Wirbel, die bei der Messung zweier Photonen beobachtet wurden, Teil eines dreidimensionalen Wirbelrings sind, der durch die gegenseitige Beeinflussung der drei Photonen erzeugt wird. Diese Ergebnisse zeigen, wie ähnlich die neu entdeckten Wirbel denen aus anderen Umgebungen sind.

Die Wirbel haben in dieser Studie vielleicht die Schau gestohlen, aber die Forscher arbeiten weiter an ihrem Ziel der Quantendatenverarbeitung. Der nächste Schritt der Studie wird darin bestehen, die Photonen aufeinander zu schießen und die Phasenverschiebung jedes Photons separat zu messen.

Je nach Stärke der Phasenverschiebungen könnten die Photonen als Qubits verwendet werden – die grundlegenden Informationseinheiten in der Quanteninformatik. Im Gegensatz zu den Einheiten des normalen Computerspeichers, die entweder 0 oder 1 sein können, können Quantenbits einen Wertebereich zwischen 0 und 1 gleichzeitig darstellen.