Nano-Prüfstand für das Quantenverhalten

Erstaunliche Fortschritte bei experimentellen und theoretischen Methoden haben neue Ausblicke auf die schöne neue Welt der Quanten eröffnet. Hier trotzen die Verhaltensweisen der Materie den Beschreibungen der klassischen Mechanik und fast Alles scheint möglich. Allerdings kann der Rechenaufwand bei der Betrachtung all dieser atomaren und subatomaren Wechselwirkungen bei Vielteilchensystemen zu einem Problem werden.

Wissenschaftler haben einen Versuchsaufbau entwickelt, einen Quantensimulator, um beim Formen und Testen von Hypothesen zu helfen, wenn es um das komplizierte Verhalten von Quantensystemen geht. Die Pionierforscher des EU-finanzierten Projekts MOQUASIMS (Memory-enabled optical quantum simulators) haben außerdem ein Quantensystem entwickelt und umgesetzt, um fliegende Photonen erfassen und sie in stationären atomaren Anregungen halten zu können. Mit anderen Worten haben sie die Grundlagen für den allerersten programmierbaren Quantensimulator mit optischen Speicherfähigkeiten geschaffen.

Der Quantenspeicher speichert breitbandiges Licht in Cäsiumdampf bei Zimmertemperatur. Der Betrieb bei Zimmertemperatur ist ein großer Meilenstein für die meisten Technologien. Alles, was ohne großartiges Kühlen oder Erwärmen auskommt, minimiert die Komplexität und erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Erfolgs. Außerdem maximiert es die Wahrscheinlichkeit der Umsetzung, weil es die Investitionskosten und Betriebsschwierigkeiten senkt.

Lösungen für Lärmprobleme führten nun zur Fähigkeit zum Speichern und Abrufen von in Gigahertz-Breitband fliegenden Photonen auf programmierbare Weise in einer sehr geräuscharmen Umgebung. Insbesondere kann das System zuverlässig ein einzelnes Photon mit einer Sub-Nanosekundenperiode transportieren.

Als nächstes erstellte das Team ein rein optisches integriertes Netzwerk, einen photonischen Chip von sehr hoher Komplexität, der eine Vielzahl von interessanten Phänomenen der Quantenphysik simulieren kann. Dieses vereinfachte Modell wurde verwendet, um eine Vielzahl von Quantenversuchen durchzuführen, einschließlich von Simulation eines Quantenanalogons des Photosynthesesystems.

Der letzte Schritt besteht darin, die beiden zu integrieren. Dies soll Versuche ermöglichen, die bisher nicht durchzuführen waren. Außerdem soll es praktische Anwendung etwa bei der Entwicklung von absolut sicherer Kommunikation, superschnellen Rechnern oder einer sehr genauen Messung finden. MOQUASIMS hat ein leistungsfähiges neues Werkzeug geschaffen, das die Art, wie wir miteinander und mit der Welt interagieren, verändern kann.