Motivation Physikalische Systeme Grundlagen Beispielhafte Arbeiten Eigene Arbeiten - Physik mit einzelnen Atomen - Kontrolle von Quantensystemen
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Physik mit einzelnen Atomen –
Kontrolle von Quantensystemen
- Physik - Nobelpreis 2012
- Eigene Arbeiten
Jürgen Eschner
Zweibrücken, 10.04.2013
Motivation
Physikalische Systeme
Grundlagen
Beispielhafte Arbeiten
Eigene Arbeiten
1
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
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
Quantentechnologie rückt näher
Wieviele
Wieviele Atome
Atome braucht
braucht man
man für
für 11 bit
bit ??
W. R. Keyes,
IBM J. Res. Dev.
32, 24 (1988)
& C. Schuck, ICFO
ENIAC (1947)
~ 2020
Pentium 4 (2002)
1 atom
pro bit
Quanteneffekte spielen eine Rolle –
und erlauben neue Anwendungen
1 atom
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
Kommerziell verfügbar!
(Quantenkryptographie)
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
Quantenmetrologie
Optische Atomuhr
Cs-Uhr : Schwingung bei ~10 GHz (1010 Hz)
Al+-Uhr : Schwingung bei 1015 Hz
Sekunde kann 100.000 mal feiner unterteilt werden!
ultraempfindliche Messungen z.B. der lokalen Gravitation
5
Physikalische Systeme
Wineland : Ionenfalle
Laser zur Kühlung, Mani-
pulation und Messung
Elektroden halten die
Atome fest - tagelang
kva.se
6
Haroche: Resonator ("Photonenfalle")
2 Spiegel speichern einzelne
(Mikrowellen-) Photonen
für >0.1s
(Rydberg-) Atome werden
einzeln durch den Resonator
gesendet und wechselwirken
mit den Photonen.
kva.se
Grundlagen
7
Quantenbits
Für ein Teilchen mit zwei Zuständen erlaubt die
Quantenmechanik auch Überlagerungen dieser Zustände
Bit Qubit
1 |1
0 |0
Entweder 1 oder 0 Alle Überlagerungen
N Bits: 2N Zustände N Qubits: 2N Basiszustände
Beispiel : Polarisation eines Photons
ung
r l ager
e
Üb
Diagonal
Üb
erla
ger
ung
Horizontal |0>
oder vertikal |1>
Zirkular
Wichtige
Wichtigequantenphysikalische
quantenphysikalischeEigenschaften
Eigenschaften::
Überlagerung,
Überlagerung,Verschränkung,
Verschränkung,projektive
projektiveMessung
Messung
8
Quantenphase und Wahrscheinlichkeit
In allen diesen Zuständen ist die
Wahrscheinlichkeit, Polarisation
Diagonal oder zu messen, jeweils 1/2.
und
sind orthogonale Zustände!
Die Quantenphase
Zirkular ist entscheidend!
Atomares Quantenbit
2-Niveau-Atom
Überlagerung
Photon
Photonist
istWelle
Welle(Polarisation!)
(Polarisation!)und
undTeilchen
Teilchen
Atom
Atomist
istTeilchen
Teilchenund
undWelle
Welle(q.m.
(q.m.Wellenfunktion
Wellenfunktion ))
9
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
10Ramsey - 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.
11Ramsey - 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
12Beispielhafte 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)
13Anwendung : 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
14n-Photon-Zustände
Zerfall des Resonatorfeldes Photon für Photon
Stabilisierung durch "Injektion" von Strahlung möglich
Eigene Arbeiten
15Einzelatom – 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) Erfordert:
Kontrollierte
Einzelatom-Einzelphoton-
Wechselwirkung
Quanten-
kommunikations-
kanäle
= kontrollierte Absorption
(Photonen) und Emission
= Übertragung von
Quantenzuständen
Atom Photon
16Blick ins Labor
Erzeugung einzelner Photonen
Einzelnes Einzelnes
Präparation
rotes Photon blaues Photon
~ 200.000 Wiederholungen / s; ~ 2% Photonen
17Einzelne Atome kommunizieren über einzelne Photonen
Quantensprünge durch Photonen vom anderen Atom
Sender blockiert
Sender
offen
18Zusammenfassung
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!
www.uni-saarland.de/lehrstuhl/eschner
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