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1 Physik mit einzelnen Atomen Kontrolle von Quantensystemen - Physik - Nobelpreis Eigene Arbeiten Jürgen Eschner Zweibrücken, Motivation Physikalische Systeme Grundlagen Beispielhafte Arbeiten Eigene Arbeiten 1

2 Nobelpreis 2012, Widmung Für "bahnbrechende experimentelle Methoden, die die Messung und die Manipulation individueller Quantensysteme ermöglichen". Serge Haroche, ENS David Wineland, NIST kva.se Was ist daran besonders? the direct observation of individual quantum systems without destroying them. the very first steps towards building a new type of super fast computer, based on quantum physics. construction of extremely precise clocks ( ) with more than 100-fold greater precision than present-day Cs clocks. kva.se 2

3 Brit. J. Phil. Sci. 3, 109 (1952). wir experimentieren niemals mit nur einem Elektron oder Atom In Gedankenexperimenten nehmen manchmal an wir täten das; das hat unweigerlich lächerliche Konsequenzen Wofür ist das gut? the direct observation of individual quantum systems without destroying them. the very first steps towards building a new type of super fast computer, based on quantum physics. construction of extremely precise clocks ( ) with more than 100-fold greater precision than present-day Cs clocks. kva.se 3

4 Quantentechnologie rückt näher Wieviele Atome braucht man für 1 bit? W. R. Keyes, IBM J. Res. Dev. 32, 24 (1988) & C. Schuck, ICFO ENIAC (1947) ~ 2020 Pentium 4 (2002) 1 atom pro bit 1 atom Quanteneffekte spielen eine Rolle und erlauben neue Anwendungen Quanteninformationstechnologie Quantencomputer mit einzelnen Atomen Vorteile bei der Lösung einiger "harter" Probleme, z.b. Faktorisierung grosser Zahlen, Datenbanksuche; Simulation von komplexen Materialien mit Quanteneigenschaften Quantenkommunikation mit einzelnen Photonen Abhörsichere Verschlüsselung (Quantenkryptographie) Kommerziell verfügbar! 4

5 Wofür ist das gut? the direct observation of individual quantum systems without destroying them. the very first steps towards building a new type of super fast computer, based on quantum physics. construction of extremely precise clocks ( ) with more than 100-fold greater precision than present-day Cs clocks. kva.se Quantenmetrologie Optische Atomuhr Cs-Uhr : Schwingung bei ~10 GHz (10 10 Hz) Al + -Uhr : Schwingung bei Hz Sekunde kann mal feiner unterteilt werden! ultraempfindliche Messungen z.b. der lokalen Gravitation 5

6 Physikalische Systeme Wineland : Ionenfalle Laser zur Kühlung, Manipulation und Messung Elektroden halten die Atome fest - tagelang kva.se 6

7 Haroche: Resonator ("Photonenfalle") (Rydberg-) Atome werden einzeln durch den Resonator gesendet und wechselwirken mit den Photonen. 2 Spiegel speichern einzelne (Mikrowellen-) Photonen für >0.1s kva.se Grundlagen 7

8 Quantenbits Für ein Teilchen mit zwei Zuständen erlaubt die Quantenmechanik auch Überlagerungen dieser Zustände Bit 1 Qubit 1 0 Entweder 1 oder 0 0 Alle Überlagerungen N Bits: 2 N Zustände N Qubits: 2 N Basiszustände Beispiel : Polarisation eines Photons Überlagerung Diagonal Überlagerung Horizontal 0> oder vertikal 1> Zirkular Wichtige quantenphysikalische Eigenschaften :: Überlagerung, Verschränkung, projektive Messung 8

9 Quantenphase und Wahrscheinlichkeit Diagonal In allen diesen Zuständen ist die Wahrscheinlichkeit, Polarisation oder zu messen, jeweils 1/2. und sind orthogonale Zustände! Zirkular Die Quantenphase ist entscheidend! Atomares Quantenbit 2-Niveau-Atom Überlagerung Photon ist ist Welle (Polarisation!) und und Teilchen Atom ist ist Teilchen und und Welle (q.m. Wellenfunktion )) 9

10 Das zentrale Werkzeug: Rabi-Oszillationen Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch. Zeit Laser Auf der betrachteten Zeitskala ist e> ein stabiler Zustand (zerfällt nicht spontan). Die Wahrscheinlichkeit, das Atom in g> oder e> zu finden, oszilliert mit Ramsey - Methode Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch. Zeit Laser " /2 - Puls" " /2 - Puls" Während der Laser aus ist, entwickelt sich die Quantenphase 10

11 Ramsey - Methode Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch. Atom in e> Zeit Laser " /2 - Puls" " /2 - Puls" Das Ergebnis des zweiten Pulses hängt von der Quantenphase ab. Ramsey - Methode Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch. Atom in g> Zeit Laser " /2 - Puls" " /2 - Puls" Das Ergebnis des zweiten Pulses hängt von der Quantenphase ab. 11

12 Ramsey - Methode Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch.?? Zeit Laser " /2 - Puls" " /2 - Puls" Sehr kleine Wechselwirkungen können die Quantenphase verändern. Ramsey - Methode Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch.?? Zeit Messung winziger Phasenverschiebungen 12

13 Beispielhafte Arbeiten Wineland : ultrapräzise optische Uhr Optische Uhr, die mit Quantenlogik abgelesen wird. Al + Be + Al + Be + Coulomb-Wechselwirkung Uhr "tickt" im Al-Ion (Ramsey-Methode) Be-Ion zur Zustandspräparation und zum "Ablesen" Zustandsübertragung Al Be mit Hilfe der Coulomb-WW Science 309, 749 (2005), Science 319, 1808 (2008) 13

14 Anwendung : Variieren die fundamentalen Konstanten? Cäsium magnetisches Moment Feinstrukturkonstante Science 319, 1808 (2008) Haroche : n-photon-zustände Erzeugung, Messung und Stabilisierung von n-photon Zuständen, ohne ein einziges zu absorbieren n Photonen Nature 448, 889 (2007) Nature 477, 73 (2011) Atom im Zustand e> präpariert Atom im Überlagerungszustand Phasenverschiebung prop. zu n Auslesen des Überlagerungszustands Zustandsmessung 14

15 n-photon-zustände Zerfall des Resonatorfeldes Photon für Photon Stabilisierung durch "Injektion" von Strahlung möglich Eigene Arbeiten 15

16 Einzelatom Einzelphoton Wechselwirkung Einzelne Atome, mit 2 Lichtquellen beleuchtet Quantensprünge Sprung hell dunkel : Absorption eines einzelnen Photons Sprung dunkel hell : Emission eines einzelnen Photons Hier zufällig, Ziel : Kontrolle Wofür? Quanten-Netzwerk Lokale Quantencomputer (Atome) Quantenkommunikationskanäle (Photonen) Erfordert: Kontrollierte Einzelatom-Einzelphoton- Wechselwirkung = kontrollierte Absorption und Emission = Übertragung von Quantenzuständen Atom Photon 16

17 Blick ins Labor Erzeugung einzelner Photonen Präparation Einzelnes rotes Photon Einzelnes blaues Photon ~ Wiederholungen / s; ~ 2% Photonen 17

18 Einzelne Atome kommunizieren über einzelne Photonen Quantensprünge durch Photonen vom anderen Atom Sender blockiert Sender offen 18

19 Zusammenfassung Kontrollierte einzelne Quantensysteme: Atome, Photonen Quantenphysik wird "sichtbar" Fundamentale quantenmechanische Wechselwirkungen als Grundlage für Quanteninformationstechnologie Anwendungen in der Metrologie Wechselwirkung zweier einzelner Atome über einzelne, kontrolliert erzeugte Photonen Danke an die Mitarbeiter! 19

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