Quan­ten­ef­fekte sind anfäl­lig für äußere Stö­run­gen und gehen extrem leicht kaputt. Die TU Wien forscht an sta­bi­le­ren Quan­ten­ex­pe­ri­men­ten und ent­wi­ckelt neue Vari­an­ten an Schutzmechanismen. 

Quan­ten­ex­pe­ri­mente haben immer wie­der mit dem­sel­ben Pro­blem zu kämp­fen, egal ob es um Quan­ten­com­pu­ter geht, um Quan­ten-Tele­por­ta­tion oder neu­ar­tige Quan­ten-Sen­so­ren: Quan­ten­ef­fekte gehen extrem leicht kaputt. Sie sind äußerst emp­find­lich gegen­über Stö­run­gen von außen, etwa gegen­über Fluk­tua­tio­nen, die ein­fach durch die umge­bende Tem­pe­ra­tur ent­ste­hen. Daher ist es ent­spre­chend rele­vant, Quan­ten­ex­pe­ri­mente mög­lichst effek­tiv abküh­len zu können.

Rele­vante Tem­pe­ra­tur im ohne­hin schon extrem kal­ten Bose-Einstein-Kondensat
Die TU Wien forscht rund um diese The­ma­tik und konnte nun zei­gen, dass eine sol­che Art von Abküh­lung auf eine inter­es­sante neue Art erzielt wer­den kann: Man teilt ein Bose-Ein­stein-Kon­den­sat in zwei Teile auf, und zwar weder abrupt noch beson­ders lang­sam, son­dern mit einer ganz bestimm­ten zeit­li­chen Dyna­mik. Diese sorgt dafür, dass zufäl­lige Fluk­tua­tio­nen so gut wie mög­lich ver­hin­dert wer­den – und so kann die rele­vante Tem­pe­ra­tur im ohne­hin schon extrem kal­ten Bose-Ein­stein-Kon­den­sat noch ein­mal deut­lich ver­rin­gert wer­den. Wich­tig ist das für Quan­ten­si­mu­la­to­ren, mit denen die TU Wien Erkennt­nisse über Quan­ten­ef­fekte erzie­len möchte, die mit bis­he­ri­gen Metho­den nicht unter­sucht wer­den konnten.

„Quan­ten­si­mu­la­to­ren sind Sys­teme, deren Ver­hal­ten durch quan­ten­me­cha­ni­sche Effekte bestimmt ist, und die man beson­ders gut kon­trol­lie­ren und über­wa­chen kann. Man kann diese Sys­teme daher ver­wen­den, um grund­le­gende Phä­no­mene der Quan­ten­phy­sik zu stu­die­ren, die auch in ande­ren Quan­ten­sys­te­men vor­kom­men, dort aber nicht so leicht unter­sucht wer­den kön­nen“, erklärt Maxi­mi­lian Prüfe, der am Atom­in­sti­tut der TU Wien mit Unter­stüt­zung des FWF neue Metho­den erforscht.

Ver­su­che mit Was­ser­wel­len kön­nen Erkennt­nisse über Schall­wel­len bringen
Ver­wen­det wird dabei ein phy­si­ka­li­sches Sys­tem, um eigent­lich etwas über andere Sys­teme zu ler­nen. Das ist in der Phy­sik nicht völ­lig neu, auch Ver­su­che mit Was­ser­wel­len kön­nen Erkennt­nisse über Schall­wel­len brin­gen. Was­ser­wel­len sind aller­dings leich­ter zu beob­ach­ten. „Quan­ten­si­mu­la­to­ren wer­den in den letz­ten Jah­ren immer mehr zum nütz­li­chen und viel­sei­ti­gen Werk­zeug. Zu den wich­tigs­ten Mög­lich­kei­ten, inter­es­sante Modell­sys­teme zu rea­li­sie­ren, gehö­ren Wol­ken aus extrem kal­ten Ato­men, wie wir sie in unse­rem Labor unter­su­chen“, erläu­tert Prüfe. Quan­ten­si­mu­la­tion ist auch ein zen­tra­les Thema im kürz­lich gestar­te­ten Exzel­lenz­clus­ter QuantA, in dem ver­schie­dene Quan­ten­sys­teme unter­sucht werden. 

Die ent­schei­dende Größe, die die Ein­satz­taug­lich­keit sol­cher Quan­ten­si­mu­la­to­ren der­zeit nor­ma­ler­weise limi­tiert, ist ihre Tem­pe­ra­tur. Es gibt unter­schied­li­che Mög­lich­kei­ten, etwas abzu­küh­len: Man kann zum Bei­spiel ein Gas küh­len, indem man sein Volu­men sehr lang­sam ver­grö­ßert. Bei extrem kal­ten Bose-Ein­stein-Kon­den­sa­ten wer­den die ener­gie­reichs­ten Teil­chen rasch ent­fernt, bis nur noch eine Samm­lung von Ato­men übrig­bleibt, die ziem­lich ein­heit­lich recht wenig Ener­gie haben und somit küh­ler sind.

Abküh­lung durch Kon­trolle der Fluktuationen
„Wir ver­wen­den aber eine ganz andere Tech­nik“, sagt Tian­tian Zhang, die die­ses Thema im Rah­men ihrer Dok­tor­ar­beit am Dok­to­rats­kol­leg des Vienna Cen­ter for Quan­tum Sci­ence and Tech­no­logy unter­sucht hat. „Wir erzeu­gen ein Bose-Ein­stein-Kon­den­sat und spal­ten es dann in zwei Teile auf, indem wir in der Mitte eine Bar­riere erzeu­gen“, so Zhang. Wie viele Teil­chen sich danach auf der rech­ten und auf der lin­ken Seite der Bar­riere befin­den, ist quan­ten­phy­si­ka­lisch unbe­stimmt. Auf­grund der Gesetze der Quan­ten­phy­sik gibt es hier eine gewisse Unschärfe. Das For­schungs­team an der TU Wien konnte nun zei­gen, dass weder eine extrem abrupte noch eine extrem lang­same Tei­lung des Bose-Ein­stein-Kon­den­sats opti­mal ist. 

Es braucht einen Mit­tel­weg, eine genau pas­sende dyna­mi­sche Auf­spal­tung des Kon­den­sats, um die Quan­ten­fluk­tua­tio­nen mög­lichst gut zu kon­trol­lie­ren. Mit klas­si­scher Berech­nung via Com­pu­ter ist die­ses Pro­blem heute nicht lös­bar. Das For­schungs­team der TU Wien zeigte mit­tels einer pas­sen­den Auf­spal­tungs-Dyna­mik die mög­li­che Unter­drü­ckung der Fluk­tua­tion der Teil­chen­zahl, und das wie­derum über­setzt sich in eine Reduk­tion genau jener Tem­pe­ra­tur, die es zu mini­mie­ren gilt. „Die Unter­drü­ckung der Fluk­tua­tio­nen ist genau das, was wir brau­chen, um unser Sys­tem noch bes­ser als bis­her als Quan­ten­si­mu­la­tor nut­zen zu kön­nen. Man kann damit nun auch bis­her unzu­gäng­li­che Fra­gen aus der grund­le­gen­den Quan­ten­phy­sik beant­wor­ten“, unter­streicht Maxi­mi­lian Prüfe vom Atom­in­sti­tut der TU Wien.