Quanten rauschen anders
Wiener Physikern ist es gelungen, Quantenrauschen und thermisches Rauschen auseinanderzudividieren. Das Experiment zeigt Quantenrechnern mögliche Grenzen auf.
Physikern vom Atominstitut der österreichischen Universitäten ist es in Zusammenarbeit mit deutschen und US-amerikanischen Kollegen erstmals mit mathematischen Methoden gelungen, Quantenrauschen von normalem thermischem Rauschen zu unterscheiden.
Das Experiment wurde in der Online-Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift "nature physics" veröffentlicht.
"Außer Tritt"
Für ihre Lauschattacke in der Quantenwelt verwendeten die Forscher ein paar tausend Rubidium-Atome, die bis auf wenige Nanograd an den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden. Dabei nehmen die Atome den Zustand des Bose-Einstein-Kondensats [BEC] ein. "Jedes einzelne Teilchen verliert dabei seine Identität und alle bewegen sich im Gleichklang, vergleichbar mit einer im Gleichschritt marschierenden Kompanie Soldaten", sagte der Wiener Physiker Jörg Schmiedmayer.
Doch unendlich lang kann die Reihe an Atomen nicht werden, irgendwann macht sich das Quantenrauschen störend bemerkbar, der Gleichschritt bekommt Makel. Sichtbar machten die Physiker dieses "Außer-Tritt-Kommen" der Bewegungen von Teilchen in einer eindimensionalen Kette, indem sie zwei solcher Ketten im Zustand des BEC zur Interferenz bringen.
Anschließend wurden die Interferenzstreifen mit Laser beleuchtet und fotografiert. Die Interferenzbilder zeigen die Störungen des Gleichschritts in Form zu Wellenlinien verbogener Muster anstatt gerader Steifen bei völliger Harmonie der Teilchen.
Grenzen für Quantenrechner
Nun kommt aber noch das Faktum ins Spiel, dass die Atome zwar nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden können, aber eine kleine Resttemperatur von unter einem Millionstel eines Grades bleibt doch vorhanden. "Dadurch gibt es in dem System auch ein thermisches Rauschen", so der Wissenschaftler. Durch statistische Auswertungen der Bilder ist es dem Team jetzt weltweit erstmals gelungen, das thermische Rauschen und das echte Quantenrauschen auseinanderzudividieren.
Solche Grundlagenarbeiten sind nicht zuletzt auch im Hinblick auf die Entwicklung eines Quantencomputers von Bedeutung. "Wir tasten uns an die Limits heran, ab wann die Quanten gleichsam aus dem Tritt kommen und das Rauschen störend wird", so Schmiedmayer.
Einer internationalen Forschungsgruppe unter der Leitung des Wiener Physikers Anton Zeilinger war es vor kurzem gelungen, ein grundlegendes Experiment zur Quantenkommunikation mit Satelliten erfolgreich abzuschließen. Das Experiment ist auch ein erster Schritt hin zur Einführung von Quantenkryptographie in der Kommunikation über künstliche Erdtrabanten.
(APA)