Wissenschaftler erfinden eine „Quantenflöte“, die Lichtteilchen dazu bringen kann, sich zusammenzubewegen

Physiker der University of Chicago haben eine „Quantenflöte“ erfunden, die wie der Rattenfänger Lichtteilchen dazu zwingen kann, sich auf eine noch nie dagewesene Weise zusammenzubewegen.

Beschrieben in zwei Studien, die in veröffentlicht wurden Briefe zur körperlichen Überprüfung und Naturphysikkönnte der Durchbruch den Weg weisen, Quantenspeicher oder neue Formen der Fehlerkorrektur in Quantencomputern zu realisieren und Quantenphänomene zu beobachten, die in der Natur nicht sichtbar sind.

Assoz. Das Labor von Prof. David Schuster arbeitet an Quantenbits – dem Quantenäquivalent eines Computerbits – die die seltsamen Eigenschaften von Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene nutzen, um Dinge zu tun, die sonst unmöglich wären. In diesem Experiment arbeiteten sie mit Lichtteilchen, sogenannten Photonen, im Mikrowellenspektrum.

Das von ihnen entwickelte System besteht aus einem langen Hohlraum aus einem einzigen Metallblock, der Photonen bei Mikrowellenfrequenzen einfangen soll. Der Hohlraum wird durch Bohren versetzter Löcher hergestellt – wie Löcher in einer Flöte.

„Genau wie beim Musikinstrument“, sagte Schuster, „können Sie eine oder mehrere Wellenlängen von Photonen über das Ganze schicken, und jede Wellenlänge erzeugt eine ‚Note‘, die zur Codierung von Quanteninformationen verwendet werden kann.“ Die Wechselwirkungen der „Noten“ können die Forscher dann mit einem Master-Quantenbit, einem supraleitenden Stromkreis, steuern.

Aber ihre seltsamste Entdeckung war die Art und Weise, wie sich die Photonen zusammen verhielten.

In der Natur interagieren Photonen kaum – sie gehen einfach durcheinander. Mit sorgfältiger Vorbereitung können Wissenschaftler manchmal zwei Photonen veranlassen, auf die Anwesenheit des anderen zu reagieren.

„Hier machen wir etwas noch Seltsameres“, sagte Schuster. „Zuerst interagieren die Photonen überhaupt nicht, aber wenn die Gesamtenergie im System einen Wendepunkt erreicht, sprechen sie plötzlich alle miteinander.“

So viele Photonen in einem Laborexperiment miteinander „sprechen“ zu lassen, ist äußerst seltsam, ähnlich wie eine Katze auf den Hinterbeinen laufen zu sehen.

„Normalerweise sind die meisten Partikelwechselwirkungen Eins-zu-Eins – zwei Partikel prallen ab oder ziehen sich gegenseitig an“, sagte Schuster. „Wenn Sie ein drittes hinzufügen, interagieren sie normalerweise immer noch nacheinander mit dem einen oder anderen. Aber bei diesem System interagieren sie alle gleichzeitig.“

Ihre Experimente testeten nur bis zu fünf „Notizen“ gleichzeitig, aber die Wissenschaftler könnten sich schließlich vorstellen, Hunderte oder Tausende von Notizen durch ein einziges Qubit laufen zu lassen, um sie zu steuern. Bei einer Operation, die so komplex ist wie die eines Quantencomputers, wollen Ingenieure alles vereinfachen, wo sie können, sagte Schuster: „Wenn Sie einen Quantencomputer mit 1.000 Bits bauen wollten und sie alle durch ein einziges Bit steuern könnten, wäre das unglaublich wertvoll .“

Auch das Verhalten an sich begeistert die Forscher. Niemand hat so etwas wie diese Wechselwirkungen in der Natur beobachtet, daher hoffen die Forscher, dass die Entdeckung auch nützlich sein kann, um komplexe physikalische Phänomene zu simulieren, die hier auf der Erde nicht einmal zu sehen sind, einschließlich vielleicht sogar eines Teils der Physik von Schwarzen Löchern.

Darüber hinaus machen die Experimente einfach Spaß.

„Normalerweise finden Quantenwechselwirkungen über Längen- und Zeitskalen statt, die zu klein oder zu schnell sind, um sie zu sehen. In unserem System können wir einzelne Photonen in jeder unserer Notizen messen und die Wirkung der Wechselwirkung beobachten, während sie passiert. Es ist wirklich ganz nett zu ‚ Sehen Sie eine Quanteninteraktion mit Ihrem Auge“, sagte der Postdoktorand Srivatsan Chakram von UChicago, der Co-Erstautor des Papiers, jetzt Assistenzprofessor an der Rutgers University.