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Zwillingsatome: Eine neue Quelle für verschränkte Teilchen

Jülich, 8. März 2021 – Quanten-Kunststücke, die man bisher nur mit Photonen durchführen konnte, werden nun auch mit Atomen möglich: Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich ist es gemeinsam mit Partnern an der TU Wien gelungen, quantenverschränkte Atomstrahlen herzustellen.

Kopf oder Zahl? Wenn wir zwei Münzen in die Luft werfen, hat das Ergebnis des einen Münzwurfs nichts mit dem Ergebnis des anderen zu tun. In der Welt der Quantenphysik ist das anders: Quantenteilchen können verschränkt sein, man kann sie nur noch gemeinsam beschreiben.

Seit Jahren schon gibt es unterschiedliche Methoden, um verschränkte Photonen herzustellen. So kann man etwa mit speziellen Kristallen ein Photon mit hoher Energie in zwei Photonen niedrigerer Energie umwandeln – das bezeichnet man als „Down Conversion“. Damit lassen sich rasch und einfach große Zahlen verschränkter Photonenpaare produzieren.

3 Fragen an Tommaso Calarco

Im Interview erläutert der Quantenphysiker Prof. Dr. Tommaso Calarco, welche Möglichkeiten sich durch die neue Methode zur Herstellung verschränkter Atomstrahlen ergeben.

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Atome zu verschränken ist allerdings viel schwieriger. Bisherige Ansätze konzentrierten sich darauf, einzelne Atompaare mithilfe komplizierter Laser-Operationen zu verschränken. Oder man ließ den Zufall regieren, um Quantenverschränkungen zu erzeugen: beispielsweise indem man Moleküle zerbricht, sodass miteinander verschränkte Bruchteile davonfliegen.

Mit einer neuen Technik ist es den Forschenden an der TU Wien nun jedoch gelungen, auch verschränkte Atompaare in großer Zahl kontrolliert zu erzeugen: Eine Wolke aus ultrakalten Atomen wird dazu die an einem winzigen Chip von elektromagnetischen Kräften festgehalten. Die Atome werden dabei so manipuliert, dass sie nicht den Zustand mit der niedrigsten möglichen Energie annehmen, der auch als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet wird, sondern den nächsthöheren Energiezustand. Möglich wurde dies durch eine Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Tommaso Calarco vom Forschungszentrum Jülich, die eine Quantenkontroll-Technik zur Anregung des Bose-Einstein-Kondensats in der Falle entwickelte.

Diese elektromagnetische Falle ist so konstruiert, dass die Rückkehr in den Grundzustand für ein einzelnes Atom physikalisch nicht möglich ist. Die Atome können nur paarweise zurückwechseln und danach in entgegengesetzte Richtungen davonfliegen. So entstehen verschränkte Zwillingsatome, die sich exakt in jene Richtung bewegen, die von der elektromagnetischen Falle auf dem Chip vorgegeben wird.

AtomchipBlick auf den Atomchip an der TU Wien
Copyright: TU Wien

Originalpublikation:

F. Borselli, M. Maiwöger, T. Zhang, P. Haslinger, V. Mukherjee, A. Negretti, S. Montangero, T. Calarco, I. Mazets, M. Bonneau, J. Schmiedmayer
Two-Particle Interference with Double Twin-Atom Beams
Phys. Rev. Lett. (2021), DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.083603

Weitere Informationen:

Synpsis in Physics vom 23. Februar 2021 (in Englisch)

Pressemitteilung der TU Wien vom 24. Februar 2021

Peter Grünberg Institut, Quantum Control (PGI-8)

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Tommaso Calarco
Leiter des Peter Grünberg Instituts, Quantum Control (PGI-8)
Tel.: +49 2461 61-9365
E-Mail: t.calarco@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Unternehmenskommunikation
Tel.: +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de