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Manche Ziele erreicht man nur gemeinsam. Wissenschaftler*innen der Universität Rostock zeigen jetzt, dass diese Erkenntnis auch auf die kleinsten Bausteine der Natur zutrifft.
Im Zentrum der Quantenmechanik steht die Behauptung, dass alles aus Elementarteilchen besteht – den kleinsten Teilchen, die nicht weiter geteilt werden können. Vera Neef, Doktorandin am Institut der Physik an der Universität Rostock, ging daher der Frage nach: „Gibt es etwas, was zwei Teilchen nur gemeinsam schaffen können? Etwas, das für ein Teilchen alleine unmöglich zu erzielen ist?“ Sie ist Erstautorin der Publikation „Pairing particles into holonomies“, auf Deutsch etwa „Verknüpfung von Teilchen erzeugt Holonomien“, die jetzt im renommierten Wissenschaftsjournal „Science Advances“ erschienen ist.
Im Zentrum der Experimente des Rostocker Forscher*innen-Teams standen Photonen, die Elementarteilchen, aus denen Licht besteht. Photonen seien merkwürdig, erklärt Dr. Tom Wolterink, da zwei Photonen zur selben Zeit am selben Ort sein könnten, eine Eigenschaft, die sie ziemlich einzigartig mache. Dr. Matthias Heinrich fügt hinzu: „Mit einem leistungsstarken Laser erzeugen wir sogenannte Wellenleiter in einem Stück Glas.“ Diese Form der „Licht-Autobahn“ gibt die Richtung der Photonen vor. Genau wie Autos auf der Autobahn die Spur wechseln können, können Photonen von einem Wellenleiter zum nächsten springen.
Man stelle sich eine mehrspurige Autobahn vor, bei der jede einzelne Spur zu einem anderen Ziel führt. Darauf fährt ein Auto, das eine sehr wichtige Nachricht transportiert. Dabei ist von großer Bedeutung, welche Autobahnausfahrt dieses Auto nimmt. Allerdings können schon kleinste Fehler das Auto auf die falsche Spur bringen. Professor Alexander Szameit, Leiter der Arbeitsgruppe Experimentelle Festkörperoptik, erklärt die Relevanz dieser Forschung: „Um irgendwann einen Quantencomputer bauen zu können, müssen wir in der Lage sein, den Weg der Photonen genau zu kontrollieren. Allerdings sind Photonen ziemlich empfindlich. Nicht einmal die beste Ingenieurskunst kann garantieren, dass niemals ein Photon im falschen Wellenleiter landet.“
Hier greift jetzt die Teamstrategie: „Um diesem Problem zu begegnen, verwenden wir nun ein Paar von Photonen, statt, wie bisher, die Daten in einem einzelnen Photon zu speichern. Anders gesagt: Wir verteilen die Nachricht auf zwei Autos“, erklärt Vera Neef. Jedes einzelne Auto habe nach wie vor eine gewisse Wahrscheinlichkeit, auf der falschen Spur zu landen. Die Chance aber, dass beide Autos versehentlich dasselbe falsche Ziel erreichen, sei verschwindend gering. Dabei gilt die Nachricht nur als vollständig, wenn beide Autos am selben Zielort eintreffen. Falls ein Auto alleine an einem Ziel eintrifft, wird die Nachricht als unvollständig verworfen. „Wir waren selbst überrascht, wie gut unsere Methode funktioniert“, kommentiert Vera Neef. „Als wir die Eigenschaften unserer sprichwörtlichen Licht-Autobahn absichtlich um 10 Prozent verschlechtert haben, haben sich unsere Messergebnisse fast nicht verändert.“
Die kürzlich veröffentlichte Arbeit erweitert das mathematische Konzept der sogenannten Holonomien von einzelnen Teilchen auf Teilchenpaare und größere Gruppen. Damit werden nicht nur wichtige Grundlagen für die Herstellung von Quantencomputern geschaffen, sondern auch neue Möglichkeiten eröffnet jene Elementarteilchen zu erforschen, die sich im Innern von Atomen befinden.
Teamarbeit macht also wirklich so manches einfacher. Das gilt sogar für Photonen.
Prof. Alexander Szameit
Universität Rostock
Institut für Physik
E-Mail: alexander.szameit@uni-rostock.de
Link zur Veröffentlichung: https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ady3856
Vera Neef erklärt ihre Arbeit.
Quelle: Marco Kirsch
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsergebnisse
Deutsch
Vera Neef erklärt ihre Arbeit.
Quelle: Marco Kirsch
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