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Mögliche Grenzen für den Quantencomputer aufgezeigt

Völlig Stille gibt es nicht. Ob im Weltraum oder auf der Erde - wenn man nur genau genug hinhört, vernimmt man immer und überall ein Rauschen. Da macht auch die bisweilen seltsam anmutende Welt der Quanten keine Ausnahmen.

Schema zur Messung des Quantenrauschens in ein-dimensionalen Vielteilchensystemen:

Schema zur Messung des Quantenrauschens in ein-dimensionalen Vielteilchensystemen:

Schema zur Messung des Quantenrauschens in ein-dimensionalen Vielteilchensystemen

Schema zur Messung des Quantenrauschens in ein-dimensionalen Vielteilchensystemen

Erstmals ist es PhysikerInnen um Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der Österreichischen Universitäten in Zusammenarbeit mit deutschen und US-amerikanischen KollegInnen gelungen, sogenanntes Quantenrauschen von normalen, thermischen Rauschen zu unterscheiden.  Für ihre Lauschattacke in der Quantenwelt verwendeten die Experimentatoren ein paar tausend Rubidium-Atome, die bis auf wenige Nanograd an den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden. Dabei nehmen die Atome den Zustand des sogenannten Bose-Einstein-Kondensats (BEC) ein. "Jedes einzelne Teilchen verliert dabei seine Identität und alle bewegen sich im Gleichklang, vergleichbar mit einer im Gleichschritt marschierenden Kompanie Soldaten", erklärte Jörg Schmiedmayer.
Doch unendlich lang kann die Reihe an Atomen nicht werden, irgendwann macht sich das Quanten-Rauschen störend bemerkbar, der Gleichschritt bekommt Makel. Sichtbar machten die PhysikerInnen dieses 'ausser Tritt kommen' der Bewegungen von Teilchen in einer 'ein-dimensionalen' Kette, indem sie zwei solche eindimensional BEC zur Interferenz bringen und die Interferenzstreifen mit Laser beleuchteten und fotografierten. Die Interferenzbilder zeigen die Störungen des Gleichschritts in Form von in Wellenlinien verbogenen Mustern anstatt gerader Steifen bei völliger Harmonie der Teilchen.
Nun kommt aber noch das Faktum ins Spiel, dass die Atome zwar nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden können, aber eine kleine Resttemperatur von unter einem millionstel Bruchteilen eines Grades bleibt doch vorhanden. "Dadurch gibt es in dem System auch ein thermisches Rauschen", so der TU-Wissenschafter. Durch statistische Auswertungen der Bilder ist es dem Team jetzt erstmals gelungen, das thermische Rauschen und das echte Quantenrauschen auseinander zu dividieren.
Solche Grundlagenarbeiten sind beispielsweise im Hinblick auf die Entwicklung eines Quantencomputers von Bedeutung. "Wir tasten uns an die Limits heran, ab wann die Quanten gleichsam aus dem Tritt kommen und das Rauschen störend wird", so Schmiedmayer.

Dieses Experiment wurde in der Online-Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Bilderklärung:
Schema zur Messung des Quantenrauschens in ein-dimensionalen Vielteilchensystemen:
Auf dem Atomchip werden zwei ein-dimensionale Quantensysteme bestehend aus Bose-kondensierten Rb Atomen (Rb-BEC) präpariert. Nach dem Abschalten der Atomfallen expandieren die Atomwolken in radialer Richtung und interferieren. Das so entstandene Interferenzmuster wird durch Schattenwurf mit Hilfe einer CCD Kamera fotografiert.  Die Quanteneigenschaften der Atome im BEC werden durch die Interferenz sichtbar, das Quantenrauschen im 1d BEC durch die Form der Welligkeit der beobachteten Interferenzstreifen.