• IT-Karriere:
  • Services:

Physik: Den Quanten beim Sprung zusehen

Quantensprünge sind niemals groß und nicht vorhersehbar. Forschern ist es dennoch gelungen, den Vorgang zuverlässig zu beobachten, wenn er einmal angefangen hatte - und sie konnten ihn sogar umkehren. Die Fehlerkorrektur in Quantencomputern soll in Zukunft genau so funktionieren.

Artikel von veröffentlicht am
Nils Bohr beschrieb 1913 erstmals die Quantensprünge, die nun vermessen wurden.
Nils Bohr beschrieb 1913 erstmals die Quantensprünge, die nun vermessen wurden. (Bild: Werner Pluta/Golem.de)

Seit Nils Bohr 1913 erstmals den Übergang zwischen zwei Energieniveaus in einem Atom als Quantensprung bezeichnete, hat er sich zum geflügelten Wort entwickelt. Anders als in der Umgangssprache verbinden Physiker damit aber keinen großen Sprung, sondern vor allem einen unvorhersagbaren Vorgang. Forschern ist es nun zwar immer noch nicht gelungen, den Zeitpunkt des nächsten Quantensprungs vorherzusagen. Aber sie konnten das Einsetzen eines Quantensprungs messen, sobald er einmal angefangen hatte, und anschließend Messungen während des Vorgangs durchführen.

Inhalt:
  1. Physik: Den Quanten beim Sprung zusehen
  2. Der Quantensprung kündigt sich an

Außerdem gelang es ihnen, den Quantensprung wieder rückgängig zu machen, noch bevor er beendet war. Ihr neues Experiment beschreiben die Forscher in der Zeitschrift Nature, zuvor wurde es bereits auf der Präpublikationsplatform Arxiv veröffentlicht..

Nach der Theorie der Quantentrajektorien wurde ein Verhalten wie von den Forschern beschrieben schon in den 1990er Jahren vorhergesagt. Es bildet die Grundlage für die Hoffnung, Korrekturalgorithmen in Quantencomputern verwenden zu können. Sie könnten ungewollte Quantensprünge durch Störungen aufspüren und noch während der Rechnung wieder korrigieren.

Quantensprünge werden mit vielen Tricks vermessen

Anders als normale Bits in Computern können die Qubits der Quantencomputer nicht einfach ausgelesen werden, ohne dabei den Zustand im Computer zu zerstören und die Rechnung wieder neu beginnen zu müssen. Stattdessen müssen indirekte Hinweise auf Störungen gefunden werden, ohne dabei den Zustand der Qubits zu verändern. Mit einigen Tricks ist den Forschern genau das gelungen.

Stellenmarkt
  1. Hornbach-Baumarkt-AG, Bornheim bei Landau / Pfalz
  2. medneo GmbH, Berlin

Um den Quantensprung überhaupt beobachten zu können, bauten die Forscher ein Quantensystem aus Supraleitern mit drei Energieniveaus: einem Grundzustand, einem hellen Zustand und einem dunklen Zustand. Das System benötigt nun eine genau definierte Energiemenge, um von einem Zustand in den nächsten zu wechseln.

Um Quantensprünge anzuregen, wird das System unterschiedlich starken Mikrowellen mit genau passenden Frequenzen ausgesetzt. Genauso wie Licht bestehen auch Mikrowellen aus Photonen, mit genau einer definierten Energiemenge. Je kürzer die Wellenlänge, desto mehr Energie haben die Photonen.

Das System wird zu einem Umweg gezwungen

Die Frequenzen entsprechen dem Abstand der Energieniveaus zwischen den Zuständen. Stärkere Mikrowellen bestehen aus mehr Photonen und erhöhen die Chance, dass ein bestimmter Quantensprung geschieht. Der Trick besteht nun darin, nur Frequenzen zu benutzen, die zwar Sprünge vom Grundzustand zum hellen oder dunklen Zustand zulassen, aber keine direkten Sprünge zwischen hell und dunkel.

Damit das System immer diesen Umweg über den Grundzustand macht, wird es auf 0,15 Kelvin abgekühlt. So kann es für einige Zeit in einem Zustand verharren, wenn es nicht absichtlich von außen beeinflusst wird. Gleichzeitig wird es weniger stark durch die Energie der schwingenden Atome im Supraleitermaterial gestört.

Dunkle Zustände bleiben geschützt

Der helle Zustand heißt so, weil das System immer einige Photonen emittiert, wenn der helle Zustand verlassen wird. Das kann gemessen werden. Diese sogenannten Klicks passieren sehr häufig, weil der Wechsel vom Grundzustand in den hellen Zustand von vergleichsweise sehr starken Mikrowellen angetrieben wird. Im Durchschnitt bleibt das System eine Mikrosekunde im Grundzustand, bis es in den hellen Zustand wechselt.

Beim Wechsel in den dunklen Zustand sind es dagegen 30 Mikrosekunden, weil das System viel weniger Photonen von Mikrowellen mit dieser Frequenz ausgesetzt wird. Diese Quantensprünge sind deswegen viel seltener. Außerdem bleibt der dunkle Zustand geschützt. Er kann während des Experiments vom Grundzustand nicht unterschieden werden.

Erst wenn das Experiment am Ende abgebrochen wird, wird mit gezielten Mikrowellenimpulsen der Zustand des gesamten Systems gemessen. Das Ergebnis ist dabei zwar immer nur 0 oder 1, aber durch Veränderung der Messparameter lässt sich mit vielen Messungen eine sogenannte Quantentomographie durchführen, die den gesamten Zustand des Systems auf der Bloch-Kugel erfasst.

Bitte aktivieren Sie Javascript.
Oder nutzen Sie das Golem-pur-Angebot
und lesen Golem.de
  • ohne Werbung
  • mit ausgeschaltetem Javascript
  • mit RSS-Volltext-Feed
Der Quantensprung kündigt sich an 
  1. 1
  2. 2
  3.  


Anzeige
Top-Angebote
  1. (u. a. Apple iPhone 8 Plus 256 GB Grau oder Silber für je 549€ statt 660€ oder 679€ im...
  2. (u. a. mit TV- und Audio-Angeboten, z. B. Samsung UE82RU8009 für 1.699€)
  3. 1.699€ (Bestpreis mit Saturn, Vergleichspreis 1.939€)
  4. (aktuell u. a. Netzteile von be quiet! zu Bestpreisen)

LSBorg 06. Jun 2019

Ich denke, hier wird nur durch Änderung an einer anderen Stelle darauf zurückgeschlossen...

Pflechtfild 06. Jun 2019

das Auswirkungen auf Verschlüsselung und die Übertragung von verschlüsselten...


Folgen Sie uns
       


Microsoft Surface Laptop 3 (15 Zoll) - Hands on

Der Surface Laptop 3 ist eine kleine, aber feine Verbesserung zum Vorgänger. Er bekommt ein größeres Trackpad, eine bessere Tastatur und ein größeres 15-Zoll-Display. Es bleiben die wenigen Anschlüsse.

Microsoft Surface Laptop 3 (15 Zoll) - Hands on Video aufrufen
Lovot im Hands-on: Knuddeliger geht ein Roboter kaum
Lovot im Hands-on
Knuddeliger geht ein Roboter kaum

CES 2020 Lovot ist ein Kofferwort aus Love und Robot: Der knuffige japanische Roboter soll positive Emotionen auslösen - und tut das auch. Selten haben wir so oft "Ohhhhhhh!" gehört.
Ein Hands on von Tobias Költzsch

  1. Orcam Hear Die Audiobrille für Hörgeschädigte
  2. Viola angeschaut Cherry präsentiert preiswerten mechanischen Switch
  3. Consumer Electronics Show Die Konzept-Messe

Film: Wie sich Science-Fiction-Autoren das Jahr 2020 vorstellten
Film
Wie sich Science-Fiction-Autoren das Jahr 2020 vorstellten

Drachen löschen die Menschheit fast aus, Aliens löschen die Menschheit fast aus, Monster löschen die Menschheit fast aus: Das Jahr 2020 ist in Spielfilmen nicht gerade heiter.
Von Peter Osteried

  1. Alien Im Weltall hört dich keiner schreien
  2. Terminator: Dark Fate Die einzig wahre Fortsetzung eines Klassikers?
  3. Gemini Man Überflüssiges Klonexperiment

Europäische Netzpolitik: Die Rückkehr des Axel Voss
Europäische Netzpolitik
Die Rückkehr des Axel Voss

Elektronische Beweismittel, Nutzertracking, Terrorinhalte: In der EU stehen in diesem Jahr wichtige netzpolitische Entscheidungen an. Auch Axel Voss will wieder mitmischen. Und wird Ursula von der Leyen mit dem "Digitale-Dienste-Gesetz" wieder zu "Zensursula"?
Eine Analyse von Friedhelm Greis

  1. Mitgliederentscheid Netzpolitikerin Esken wird SPD-Chefin
  2. Nach schwerer Krankheit FDP-Netzpolitiker Jimmy Schulz gestorben

    •  /