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.

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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.

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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.

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Der Quantensprung kündigt sich an 
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