Dompteure der Quanten Physik des Nobelpreises 2012

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1 Dompteure der Quanten Physik des Nobelpreises 2012 Serge Haroche, ENS David Wineland, NIST Jürgen Eschner, UdS, Widmung Für "bahnbrechende experimentelle Methoden, die die Messung und die Manipulation individueller Quantensysteme ermöglichen". kva.se 1

2 Motivation Physikalische Systeme Grundlagen Beispielhafte Arbeiten Technologie Motivation Für "bahnbrechende experimentelle Methoden, die die Messung und die Manipulation individueller Quantensysteme ermöglichen". 2

3 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 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 3

4 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 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 4

5 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! 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 5

6 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 Physikalische Systeme 6

7 Wineland : Ionenfalle Laser zur Kühlung, Manipulation und Messung Elektroden halten die Atome fest - tagelang kva.se 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 7

8 Grundlagen Quantenbits Für ein Teilchen mit zwei Zuständen erlaubt die Quantenmechanik auch Überlagerungen dieser Zustände Bit 1 Qubit 1 0 Entweder 1 oder 0 N Bits: 2 N Zustände 0 Alle Überlagerungen 0> + 1> N Qubits: 2 N Basiszustände 8

9 Beispiel : Polarisation eines Photons Überlagerung Diagonal 0> ± 1> Überlagerung Horizontal 0> oder vertikal 1> Zirkular 0> ± i 1> Wichtige quantenphysikalische Eigenschaften :: Überlagerung, Verschränkung, projektive Messung Quantenphase und Wahrscheinlichkeit Diagonal In allen diesen Zuständen ist die Wahrscheinlichkeit für und jeweils 1/2. und sind orthogonale Zustände! Zirkular Die Quantenphase ist entscheidend! 9

10 Atomares Quantenbit 2-Niveau-Atom Das zentrale Werkzeug: Rabi-Oszillationen Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch. Zeit Laser 10

11 Ramsey - Methode Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch. Zeit Laser " /2 - Puls" " /2 - Puls" Ramsey - Methode Resonant angeregtes 2-Niveau-Atom Absorption Stimulierte Emission Wahrsch.?? Zeit Laser " /2 - Puls" " /2 - Puls" 11

12 Beispielhafte Arbeiten Haroche Erzeugung, Messung und Stabilisierung von n-photon Zuständen, ohne ein einziges zu absorbieren Nature 448, 889 (2007) Nature 477, 73 (2011) Atom im Zustand e> präpariert Atom im Überlagerungszustand Phasenverschiebung prop. zu n Auslesen des Überlagerungszustands Zustandsmessung 12

13 Haroche Wineland Optische Uhr, die mit Quantenlogik abgelesen wird. Präzision erlaubt Messungen von relativistische Zeitdilatation durch ~10 m/s Geschwindigkeit oder 30 cm Höhenunterschied im Gravitationsfeld Variation von Naturkonstanten Wechselwirkung durch Al Be Al Be gemeinsame Bewegung Prinzip: Al + wird in Überlagerungszustand versetzt, Schwingung ist die atomare Uhr. Durch Laserpulse wird der Zustand auf Be + übertragen (Quantenlogik) und ausgelesen, ohne ihn zu zerstören. Eine Laserfrequenz wird durch das Ausleseergebnis stabilisiert (z.b. immer g>). Science 309, 749 (2005), Science 319, 1808 (2008) 13

14 Anwendung: Variationvon Technologie 14

15 Haroche : Resonatoren Supraleitende Nb-beschichtete Resonatorspiegel mit Zerfallszeit des Mikrowellenfeldes von 130 ms (2011). Über >20 Jahre kontinuierlich verbessert von z.b. 220 s in Wineland : Ionenfallen Traditionelle Drahtfalle Fallenprototyp fürs Quantenrechnen Falle für Ionen-Logik-Uhr 15

16 Zusammenfassung Bahnbrechende experimentelle Methoden, die die Messung und die Manipulation individueller Quantensysteme ermöglichen! kva.se 16