Einfache Methode erzeugt mächtige Quanten-Zustände

Stellen Sie sich zwei Teilchen vor, die so tief miteinander verbunden sind, dass eine Messung an dem einen sofort den Zustand des anderen beeinflusst – selbst wenn sie Kilometer voneinander entfernt sind. Dieses Phänomen nennen Physiker Verschränkung, und es ist der Schlüssel zu vielen revolutionären Technologien: von Quantencomputern, die bestimmte Berechnungen millionenfach schneller lösen, bis zu Sensoren, die winzigste Veränderungen in Magnet- oder Gravitationsfeldern messen können. Bislang war die Erzeugung solcher verschränkter Zustände jedoch extrem aufwendig und erforderte maßgeschneiderte, teure Experimente.

Ein Team um Professor Aashish Clerk von der University of Chicago hat nun einen Weg gefunden, der mit einfachen Mitteln auskommt. Die Forscher nutzen eine sogenannte optische Kavität – im Grunde zwei Spiegel, zwischen denen Licht gefangen wird. In diese Falle setzen sie Atome, die mit dem Licht wechselwirken. Das Problem bisher: Alle Atome verhielten sich identisch, was die möglichen Quantenzustände stark einschränkte. Die Lösung der Forscher ist verblüffend simpel: Sie verschieben die Energiezustände verschiedener Atomgruppen mit zusätzlichen Lasern oder Magnetfeldern, sodass jedes Atom einen individuellen „Fingerabdruck“ bekommt. „Man schaltet diese Laser ein, wartet, und irgendwann stabilisiert sich das System in einem hochinteressanten, verschränkten Quantenzustand“, erklärt Doktorand Anjun Chu.

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt nicht nur in der Einfachheit der Methode, sondern auch in ihrer Vielseitigkeit. Das Team zeigte, dass sich mit dem gleichen Aufbau unterschiedlichste verschränkte Zustände erzeugen lassen – darunter auch der sogenannte AKLT-Zustand, ein seit den 1980er Jahren bekanntes theoretisches Konstrukt aus der Festkörperphysik. „Die Tatsache, dass so einfache Zutaten so komplexe und nützliche Quantenzustände hervorbringen können, gibt uns Hoffnung, dass wir schon vor dem Traum eines universellen Quantencomputers Quantenzustände erzeugen können, die uns Dinge ermöglichen, die in einer rein klassischen Welt unmöglich sind“, sagt Clerk.

Besonders vielversprechend ist der Ansatz für die Quantensensorik. Die Forscher zeigten, dass ihr System Magnetfeldgradienten messen kann – also Unterschiede zwischen zwei Orten – und dabei gleichzeitig unempfindlich gegenüber Hintergrundrauschen ist. Normalerweise sind verschränkte Zustände extrem störanfällig. „Man kann zwei Dinge tun, die normalerweise nicht zusammenpassen: Verschränkung nutzen, um einen extrem empfindlichen Sensor zu bauen, und gleichzeitig eine Robustheit gegenüber beliebig großen Störungen erreichen“, erklärt Clerk. Die Arbeit wurde im Fachjournal Physical Review X veröffentlicht und von Q-NEXT, einem nationalen Quantenforschungszentrum des US-Energieministeriums, unterstützt. Die Methode ist noch theoretisch, aber die Forscher planen bereits experimentelle Tests.