Quanten-Rauschen stört Gleichklang der Atome

Die absolute Stille gibt es nicht. Immer ist ein, wenn auch noch so leises Rauschen vorhanden, selbst in der Welt der Quanten. Wie aber lässt sich dieses messen? Im Quantenreich ist das eine komplizierte Angelegenheit. Ein internationales Wissenschaftlerteam berichtet nun aber in der Online-Ausgabe von „Nature Physics“ über ein neues Experiment, bei dem es das Quanten-Rauschen gemessen hat. Die neuen Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung könnten für die Entwicklung von Quantencomputern wichtig sein.

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Für ihre Arbeit verwendeten die Wissenschaftler um den Physiker Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der Österreichischen Universitäten und sein Team von der Universität Heidelberg zusammen mit US-amerikanischen Kollegen ein paar tausend Rubidium-Atome, die bis auf wenige Nanograd an den absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius abgekühlt wurden.

Bose-Einstein-Kondensat erzeugt

Bei dieser Temperatur nehmen die Atome den Zustand des so genannten Bose-Einstein-Kondensats (BEC) ein. Die einzelnen Teilchen verlieren dabei ihre Identität, sie verhalten sich wie ein riesiges Superatom und bewegen sich sozusagen im Gleichklang.

Das Quanten-Rauschen sorgt aber dafür, dass dieser Gleichklang ab einer gewissen Menge von Atomen gestört wird. Diesen Umstand machten sich die Physiker in ihrem Experiment zu Nutze, indem sie zwei Ketten von Rubidium-Atomen im Zustand des BEC zur Interferenz brachten und das dabei entstehende Interferenzmuster mit einem Laser beleuchteten und fotografierten. Die Interferenzbilder zeigen die Störungen des Gleichklangs der beiden Ketten in Form von in Wellenlinien verbogenen Mustern anstatt gerader Streifen bei völliger Harmonie der Teilchen.

Thermisches Rauschen oder Quanten-Rauschen?

„Selbst bei diesen niedrigen Temperaturen ist es schwierig, das thermische Rauschen von dem fundamentalen Quanten-Rauschen zu unterscheiden“, erläutert Schmiedmayer eine weitere Problematik des Experimentes. Denn die bei dem Experiment noch vorhandene Temperatur von weniger als einem millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt verursacht immer noch ein thermisches Rauschen.

Mit Hilfe von statistischen Auswertungen der Bilder ist es den Wissenschaftlern nun jedoch erstmals gelungen, thermisches Rauschen und echtes Quanten-Rauschen voneinander zu trennen.

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Auf dem Weg zum Quantencomputer

Derartige Grundlagenarbeiten könnten vielleicht in Zukunft bei der Entwicklung eines Quantencomputers von Bedeutung sein. „Wenn man ein Quantensystem haben will, das rechnet, dann wird alles noch viel komplizierter“, betont Schmiedmayer und weist darauf hin, dass das jetzt vorgestellte Experiment es ermöglicht zu erkennen, wie sich Quanteneigenschaften selbst zerstören können.

Eine wichtige Voraussetzung, um vielleicht irgendwann einmal einen Quantencomputer zu bauen. „Wahrscheinlich muss aber erst noch die entsprechende Technologie dafür entwickelt werden, wie das die Halbleiter-Technologie für die heutigen Computer ist“, schränkt der Physiker ein.

(idw – Universität Heidelberg, 09.05.2008 – DLO)