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Schlagwort: Quantenphysik

  • Hören Sie, wie Quantenatome miteinander sprechen

    Hören Sie, wie Quantenatome miteinander sprechen

    In den Laboren der EPFL in Lausanne entsteht derzeit ein wissenschaftlicher Meilenstein. Ein akustisches System, das es erlaubt, Quantenphänomene auf einer hörbaren, makroskopischen Ebene zu simulieren. Entwickelt wurde es vom Doktoranden Mathieu Padlewski gemeinsam mit den Forschern Hervé Lissek und Romain Fleury. Ziel ist es, die hochkomplexen Zustände kondensierter Materie zugänglich zu machen, nicht über Elektronen, sondern über Schallwellen.

    Metamaterial als Forschungsplattform
    Das System basiert auf einem sogenannten akustischen Metamaterial, einer künstlichen Struktur, die sich aus 16 miteinander verbundenen Würfeln zusammensetzt. Über integrierte Lautsprecher und Mikrofone erzeugen und messen die Forschenden gezielt Schallwellen. Diese «akustischen Atome» lassen sich flexibel konfigurieren, um verschiedenste physikalische Phänomene zu modellieren, auch solche, die jenseits der klassischen Festkörperphysik liegen.

    Schrödingers Katze wird hörbar
    Im Gegensatz zu realen Quantenwellen, die durch jede Messung zerstört werden, können akustische Wellen direkt beobachtet und analysiert werden. Dadurch wird das Quantenkonzept der Überlagerung, symbolisiert durch Schrödingers Katze, im Klang erfahrbar. So wie eine Stimme gleichzeitig aus Grundfrequenz und Oberschwingungen besteht, kann das EPFL-System viele «akustische Zustände» gleichzeitig hör- und messbar machen.

    Von der Physik zur Anwendung
    Die potenziellen Anwendungsfelder reichen von der Entwicklung neuartiger Energieleitsysteme bis zur medizinischen Diagnostik. Das Metamaterial könnte, ähnlich dem menschlichen Innenohr, auf bestimmte Frequenzen abgestimmt werden. Ein möglicher Weg zur Erforschung von Hörstörungen wie Tinnitus. Noch ambitionierter ist das Fernziel eines «akustischen Analogcomputers», der inspiriert vom Quantencomputing , Informationen in überlagerten Zuständen verarbeiten könnte, ohne deren Zerfall zu riskieren.

    Standort Schweiz als Innovationsmotor
    Diese Forschung verdeutlicht die Rolle der Schweiz als führender Standort für disruptive Wissenschaft. Die Verbindung von Grundlagenphysik, Technik und Anwendungsvisionen zeigt eindrücklich, welches Potenzial in interdisziplinärer Forschung steckt. Für Investorinnen, Entwickler und Innovationsförderer ergeben sich neue Möglichkeiten, akustische Technologien als skalierbare Alternativen im Bereich Computing, Sensorik und Materialtechnik zu etablieren.

  • Quantenverschränkung – Der ultraschnelle Tanz der Teilchen

    Quantenverschränkung – Der ultraschnelle Tanz der Teilchen

    Quantenverschränkung tritt auf, wenn zwei oder mehr Teilchen in einem Zustand bleiben, in dem der Zustand eines Teilchens untrennbar mit dem des anderen verknüpft ist. Selbst über große Entfernungen bleibt diese Verbindung bestehen, sodass eine Veränderung an einem Teilchen eine unmittelbare Rückwirkung auf das andere hat. Albert Einstein beschrieb diesen Effekt als „spukhafte Fernwirkung.“ Diese grundlegende Eigenschaft der Quantenphysik ist ein wichtiger Baustein für viele zukunftsweisende Anwendungen.

    Die Rolle der Zeit in der Quantenverschränkung
    Die Quantenverschränkung ist zwar extrem schnell, jedoch nicht augenblicklich. Mit hochpräzisen Messmethoden hat die TU Wien festgestellt, dass sich die Entstehung der Verschränkung über eine Zeitspanne von Attosekunden entfaltet. Die Forschung zeigt, dass Quantenprozesse zwar unmittelbar wirken, aber zeitlich messbar sind. Ein Laserpuls löst hierbei ein Elektron aus einem Atom heraus, wodurch ein weiteres Elektron in einen höheren Energiezustand versetzt wird – diese beiden Elektronen sind dann verschränkt.

    Messung von Attosekunden – Der Blick ins Unvorstellbare
    Die Zeitspanne, in der Quantenverschränkung abläuft, ist so kurz, dass sie in Attosekunden gemessen wird – einer Milliardstel einer Milliardstelsekunde. Diese Messungen wurden mithilfe fortschrittlicher Simulationen und ultrakurzer Laserpulse durchgeführt und ergaben, dass die „Geburtszeit“ der Elektronenverschränkung bei 232 Attosekunden liegt. Dieser Fortschritt erlaubt es Forschenden, die Dynamik dieser ultrakurzen Prozesse direkt zu beobachten und in Experimenten nachzustellen.

    Simulationen auf Attosekunden-Ebene – Ein Durchbruch in der Quantenforschung
    Durch die Kombination von Simulationen und Experimenten konnten Forschende der TU Wien den Ablauf der Quantenverschränkung präzise nachvollziehen. Die Ergebnisse, publiziert in der „Physical Review Letters,“ gelten als Meilenstein und schaffen neue Perspektiven für Anwendungen in der Quantenkryptographie und bei Quantencomputern, bei denen Verschränkung eine zentrale Rolle spielt. Die Möglichkeit, Quantenprozesse in Attosekunden zu analysieren, eröffnet neue Wege für die Weiterentwicklung von quantentechnologischen Systemen.

    Das Zeitverständnis in der Quantenphysik
    Die aktuelle Forschung zeigt, dass das klassische Verständnis von Zeit zur Beschreibung von Quanteneffekten nicht ausreicht. In der Quantenwelt entstehen und vergehen Zustände in winzigen Zeitspannen, die für uns kaum begreiflich sind. „Das Elektron springt nicht einfach aus dem Atom heraus, es ist eine Welle, die langsam aus dem Atom herausschwappt“, erklärt Prof. Iva Březinová von der TU Wien.

    Anwendungen der Quantenverschränkung – Eine Technologie für die Zukunft
    Die Quantenverschränkung ist weit mehr als ein faszinierendes Phänomen; sie bildet die Grundlage für revolutionäre Technologien wie Quantenkryptographie, die extrem sichere Kommunikationssysteme ermöglicht, und Quantencomputer, die potenziell komplexe Berechnungen schneller und effizienter als klassische Computer durchführen. Durch die Entschlüsselung der ultraschnellen Prozesse der Quantenverschränkung gewinnen Forschende Einblicke, die es ermöglichen, diese Technologien sicher und effizient zu gestalten.

    Die Erforschung der Quantenverschränkung auf der Attosekunden-Skala stellt einen Durchbruch in unserem Verständnis der Quantenphysik dar und bietet ein enormes Potenzial für die Technologien der Zukunft. Das präzise Verständnis dieser Prozesse erlaubt es, Anwendungen wie Quantenkryptographie und Quantencomputer weiterzuentwickeln und damit die Welt der Informationsverarbeitung und -sicherheit grundlegend zu verändern.