PHYSIK IN öSTERREICH - Austrian Physical Society

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Physik iN ösTerreich iNNsbrucker Physiker schickeN ATome Auf die WANderschAfT Eine Zufallsbewegung mit bis zu 23 Schritten haben Physiker um Christian Roos und Rainer Blatt vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in einem Quantensystem realisiert. Es ist das erste Mal, dass ein solcher Quantenzufallsprozess mit gefangenen Ionen in diesem Detail demonstriert wurde. Ein Wanderer muss sich an jeder Wegkreuzung für einen der möglichen Wege entscheiden. Die Summe dieser Entscheidungen führt ihn schließlich an sein Ziel. Hat der Wanderer seine Landkarte verloren, muss er die Entscheidungen zufällig treffen und mehr oder weniger lange nach seinem Ziel suchen. Die Wissenschaft spricht dann von einer Zufallsbewegung. Solchen Bewegungen („random walks“) begegnet man in Mathematik und Physik ständig. So hat etwa der schottische Botaniker Robert Brown 1827 entdeckt, dass Pollenkörner auf Wassertropfen unregelmäßig zuckende Bewegungen machen. Ursache dafür sind die zufälligen Bewegungen der Wassermoleküle – ein Phänomen, das die Wissenschaft heute Brown’sche Mo- 8 Nr. 1/2010 QuANTeNirrfAhrT im lAbor lekularbewegung nennt. Ein anderes Beispiel ist das Galton-Brett, mit dem Schulkindern die Binomialverteilung veranschaulicht wird. Hier werden Kugeln über ein Brett voll Nägeln gerollt. An jedem Nagel muss sich eine Kugel entscheiden, ob sie links oder rechts vom Nagel vorbeirollt. ATom mAchT „QuANTeNsPAzierGANG“ Dieses Prinzip der Zufallsbewegung haben die Innsbrucker Forscher nun in die Quantenwelt übertragen und ein Atom zum „quantum walk“ animiert: „Wir fangen ein einzelnes geladenes Atom in einer elektromagnetischen Ionenfalle und kühlen es in seinen Grund- zustand“, erklärt Christian Roos vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI). „Dann bringen wir das Teilchen in eine quantenmechanische Überlagerung aus zwei inneren Zuständen und schicken das Atom auf Wanderschaft.“ Die beiden inneren Zustände entsprechen der Entscheidung des Wanderers, nach links oder nach rechts zu gehen. Anders als der Wanderer muss sich das Atom aber nicht wirklich entscheiden, wohin es gehen will. Denn durch die Überlagerung der beiden Zustände liegen beide Möglichkeiten gleichzeitig vor. „Abhängig vom inneren Zustand bewegen wir das Ion dann nach links und rechts“, erläutert Christian Roos. „ Dabei werden die Bewegungszustände des Ions mit seinen inneren Zuständen verschränkt.“ Nach jedem Schritt verändern die Experimentalphysiker mit einem Radiofrequenzpuls die Überlagerung der inneren Zustände und bewegen – je nach Ergebnis – das Ion erneut nach links und rechts. Bis zu 23 Mal können sie diesen vom Zufall gesteuerten Vorgang wiederholen und so Daten darüber sammeln, wie sich Quantenzufallsprozesse verhalten. Durch die Verwendung eines zweiten Ions haben die Wissenschaftler das Experiment auch noch erweitert: Dann erhält das wandernde Ion eine dritte Möglichkeit, es kann sich dann entscheiden zwischen links gehen, rechts gehen und einfach stehen bleiben. PhäNomeNe der NATur besser versTeheN Die statistische Auswertung von zahlreichen solchen Durchläufen bestätigt, dass sich Quantenzufallsprozesse anders verhalten als klassische Zufallsbewegungen. Während sich zum Beispiel beim Galton-Brett die Kugeln statistisch nur langsam vom Ausgangspunkt wegbewegen, zeigen Quantenteilchen einen regelrechten Fluchtreflex auf ihren Irrfahrten. Sie entfernen sich statistisch sehr rasch von ihrem Ursprung. Anwendung finden solche Experimente, die in ähnlicher Weise auch in Bonn, München und Erlangen mit Atomen, Ionen und Photonen durchgeführt worden sind, einerseits bei der Untersuchung von Naturphänomenen. So vermutet die Forschung zum Beispiel, dass der Energietransport in Pflanzen durch solche Quantenzufallsprozesse sehr viel effizienter als auf klassische Weise funktioniert. Andererseits gilt ein solches Quantenzufallsregime auch als mögliches Modell für einen Quantencomputer, auf dem universelle Probleme gelöst werden können. So könnte etwa die Leistungsfähigkeit von Suchalgorithmen durch die gleichzeitige Wahl von allen möglichen Wegen dramatisch gesteigert werden. Unterstützt wurden die Forscher bei diesem Experiment vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Kommission.
Physik PhysikGeschichTe iN ösTerreich euroPäischer fAchbesuch Am 3. sePTember 2009 im vicTor-frANz-hess-lAborATorium für sTrAhluNGsforschuNG Anlässlich der ersten gemeinsamen Jahrestagung der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft (ÖPG) und der Schweizer Physikalischen Gesellschaft (SPS) vom 2. bis 4. September 2009 in Innsbruck, besuchten einige wetterfeste Mitglieder des Board of the History of Physics (HoP) Group of the European <strong>Physical</strong> <strong>Society</strong> (EPS) mit mir und dem Doktoranden Patrick Jussel, den uns Frau Univ.-Prof. Dr. Sabine Schindel als orts- und fachkundigen Begleiter bereitgestellt hatte, das Victor-Franz- Hess-Laboratorium am Hafelekar. Damit sollte die EPS auf dieses weltweit einzigartige Laboratorium für die Erforschung kosmischer Strahlung aufmerksam gemacht werden. Ein Labor, das Victor Franz Hess mit bescheidenen Mitteln 1931 ins Leben gerufen hatte, das durch all die Jahre nahezu ohne Unterbrechung weitergeführt wurde und das die Hochenergie-Physikgruppe der Uni- Am hAfelekAr iN 2300 m höhe versität Innsbruck heute betreibt, um, wie viele weitere Observatorien rund um die Welt, Daten zur kosmischen Strahlung aufzuzeichnen. Eine weitere Absicht war, in der EPS-Gruppe zu überlegen, wie die Universität Innsbruck unterstützt werden könnte, dieses Laboratorium so weit zu renovieren, dass es auch in Hinkunft für Forschungsarbeiten verwendet werden kann, aber auch für Wissenschaftstouristen aus aller Welt ein anziehendes Ausflugsziel wird. Denken wir an die Monte-Rosa-Hütte des Schweizerischen Alpenclubs (SAC) bei Zermatt, welche die Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich im Rahmen ihrer 150- Jahr-Feiern als autarkes Bauwerk im alpinen Raum entwickelt hat. Ein Projekt, das Vertreter so vieler Departements und Abteilungen der Hochschule zusammengeführt hat wie kein anderes vor ihm. Eine Er- folgsgeschichte, welche die Schweizer Gebirgswelt mit Hightech und Nachhaltigkeit verknüpft, und das in diesem Jahr auf Wanderausstellungen gezeigt wird, die im August 2010 bis zur Weltausstellung in Shanghai führen werden. Ist es nicht eine einmalige Chance, unser einziges derartige Observatorium in Österreich für die Nachwelt zu bewahren, ein noch funktionstüchtiges Forschungslabor, das übrigens den Eindruck erweckt, als wäre unser weltberühmter Nobelpreisträger Hess nach seinen Messungen gerademal kurz vor die Tür an die frische Bergluft hinausgegangen? Peter Maria Schuster, Vorsitzender der ÖPG Sektion GEP und Chair der EPS HoP Group Nr. 4/2009 9
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