Kvante Odyssey i ionefellen

Forskere demonstrerer "kvantemigrasjon" av enkeltfangede ioner

I en kvante labyrint er alle stier i en superposisjonstilstand og kan derfor gås samtidig. Interferensen som oppstår som et resultat av superposisjonen fører til rare fenomener som kvantvandrerens selvmøte. Med disse "triksene" kan utgangen fra labyrinten, f.eks. Ønsket løsning av en algoritme eller til og med den mest effektive formen for energioverføring i planter, bli funnet mange ganger raskere enn på den klassiske måten. © Tobias Schätz / MPQ
lese høyt

Forskere fra Max Planck har for første gang demonstrert fenomenet kvantemigrasjon på enkeltfangede ioner. De rapporterer om resultatene av det nye eksperimentet i tidsskriftet Physical Review Letters.

Mange klassiske algoritmer inneholder såkalte "tilfeldige turer", der mulige løsninger blir valgt tilfeldig. Slike algoritmer finner anvendelse på en rekke felt - for eksempel innen fysikk, biologi, økonomi eller til og med psykologi.

Hvis man overfører tilfeldige turer til kvantesystemer, blir slik beslutningstaking overflødig. For i motsetning til den klassiske metoden, er de aktuelle banene i en superposisjonstilstand, slik at i "kvantemigrasjon" kan alle tas samtidig. Den resulterende interferensen fører til nye fenomener: for eksempel kan "kvantevandreren" møte seg selv i noen kryss.

Forskjellen mellom klassisk og kvantemekanisk "Odyssey" avslørt

Kvantevandringer kan øke hastigheten på beregningsalgoritmer for kvantesystemer betraktelig. Men de kan også bidra til en bedre forståelse av grensen mellom den klassiske og den kvantemekaniske verdenen, som har blitt tydelig i mesoskopiske systemer.

Med et nytt eksperiment i en elektromagnetisk felle, har Tobias Schätz og kollegene ved Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching nå tydelig demonstrert for første gang forskjellen mellom den klassiske og kvantemekaniske "Odyssey", med et ion som vandrer. utstilling

Hver gang vi kommer til et veikryss, må vi bestemme oss mellom flere måter, kanskje ved å kaste mynt. Etter flere kryss og avgjørelser vil vi ha gått bare noen få av mange mulige veier. Det kan hende at noen måter blir brukt oftere enn andre.

Rare situasjoner

I kontrast trenger en kvantevandrer ikke å bestemme seg, fordi han ikke har noe valg. Hver myntkast skaper en superposisjon av hode og nummer, slik at den kan følge alle stier samtidig. Dette kan føre til rare situasjoner, for eksempel kvantetureren, når stier kolliderer ved senere kryss, møter seg selv.

På grunn av interferenseffekter kan sannsynligheten for å være i dette krysset øke, men også avta til det punktet hvor det forsvinner helt derfra.

I det nye eksperimentet spiller en enkelt magnesiumion fanget i en lineær elektromagnetisk felle rollen som kvantevandreren. Den grunnleggende bevegelsestilstanden er så å si utgangspunktet fra det begynner å marsjere. Ved radiofrekvenspulser lager forskerne en superposisjon av to elektroniske tilstander. Denne prosessen tilsvarer M nzwurf, gjennom hvilken man får en superposisjon av linker og rechter Wegentscheidung - hode og nummer.

Ultrafiolett lys skyver

Det nødvendige trykk for å bevege seg blir gitt til ionet med ultrafiolett lys med en nøyaktig innstilt frekvens. Avhengig av elektronisk tilstand skyves ionet av UV-lyset til venstre og noen ganger til høyre. Siden de to elektroniske tilstandene - hode og nummer - er i en overlagringstilstand, legges de to bevegelsesmulighetene til ionet - trinn til høyre og / eller trinn til venstre - over. Når det gjelder kvantevandring, er de to middelverdiene med de to bevegelsesmulighetene til ionet derfor meget begrensede.

Prosessene M ntwurf og posisjonsendringer gjentas totalt tre ganger, først da kan kvanteeffekter bli synlige. Etter å ha fullført denne "kvanteevolusjonen", måler forskerne om mynten viser hode eller figur og hvor ionet befinner seg. Dette utnytter det faktum at ionet bare avgir lysstoffrør i en av de to "magnetiske tilstandene".

Ubalanse i begge retninger

Etter omtrent tusen målinger mottar fysikerne en statistisk uttalelse om hvor ofte ionet har gått til høyre eller venstre. Deres data bekrefter den teoretiske prediksjonen om en ubalanse i begge retninger, i motsetning til hva man kan forvente av et klassisk system.

Teamet til Tobias Sch tz har tydelig avslørt forskjellene for den klassiske motstykket med dette eksperimentet, der turgåeren / ionet kan gå alle veier på samme tid: Kvanteinterferensen styrker asymmetriske, ikke-klassiske fordelinger i den gjensidig sterkt begrensede M nzwurf- og Bewegungszust nden. For øyeblikket er antallet repetisjonstrinn fortsatt begrenset av ikke-lineære effekter. Forskerne foreslår derfor et nytt konsept som gjør det mulig å utvide kvantemigrasjonen til mange, og i prinsippet til og med flere hundre trinn.

Mange mulige bruksområder

Kvantetransport kan være av grunnleggende interesse for en rekke applikasjoner. På denne måten kan hastigheten for å finne riktig vei økes voldsomt hvis man ikke trenger å prøve den ene etter den andre tilfeldig, men samtidig kan trå alle. Resultatene til søkealgoritmer i informasjonsbehandling kan ifølge forskerne øke betydelig.

Det er også betraktninger at denne kvantemekaniske oppførselen også er ansvarlig for energioverføringen i planter, som er distribuert langt mer effektivt på mange måter enn det som kan oppnås med klassiske metoder.

(idw - Max Planck Institute for Quantum Optics, 31.08.2009 - DLO)