Quantum Meets Macro: Merkwürdiges Partikelverhalten Gefunden

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In einem neuen experiment, das den übergang zwischen der welt der quantenmechanik und den makroskopischen bereichen untersuchte, haben physiker laserlicht auf atome gerichtet und ihren spin untersucht.

Die Wissenschaftler beleuchteten buchstäblich ein wenig Licht auf die verwirrenden Prozesse, die Atome regieren, in einem neuen Experiment, das die Wirkung des Abpralls eines Photons eines Lichts von einem Atom zeigte.

Atome und Teilchen gehorchen einem Satz von Regeln, der sogenannten Quantenmechanik, die sich von den Regeln gewöhnlicher Objekte deutlich unterscheidet.

"Der Hauptunterschied zwischen quantenmechanischem Verhalten und klassischem Verhalten besteht darin, dass Quantensysteme in mehreren Zuständen und mehreren Realitäten gleichzeitig existieren können", erklärt Roee Ozeri, Physiker am Weizmann Institute of Science in Israel. "Sie können sich gleichzeitig in mehreren Positionen befinden oder in mehrere Richtungen gleichzeitig zeigen."

Für Alltagsgegenstände in der makroskopischen Welt geht diese Fähigkeit, sich an zwei Orten gleichzeitig zu befinden, Superposition genannt, verloren und die klassische Physik übernimmt. Wenn ein Quantensystem in die klassische Welt übergeht, spricht man von Dekohärenz. [Atemberaubende Fotos von ganz klein]

"Dekohärenz ist der Prozess, durch den dieses Phänomen, das sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befindet, weggespült wird und das System zu einer einzigen physischen Realität zusammenläuft", sagte Ozeri.

Um besser zu verstehen, wie Dekohärenz funktioniert, haben Ozeri und seine Kollegen, angeführt von Yinnon Glickman des Weizmann Institute of Science, einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, mit einem Laser auf Atome gerichtet. Nachdem die Photonen die Atome getroffen hatten, prallten sie ab (ein Vorgang, der als Streuung bezeichnet wird) und wurden von einem Detektor gesammelt. So konnten die Forscher die Wirkung des Lichts auf den Spin jedes Atoms messen.

Die Überlagerung wird normalerweise zerstört (Dekohärenz genannt), wenn ein Quantensystem gemessen wird, da der Messvorgang das System in den einen oder anderen Zustand versetzt. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass das Ergebnis davon abhängt, ob der Spin des Atoms in Richtung des Laserlichts ausgerichtet ist.

Wenn der Spin des Atoms anfangs in eine andere Richtung ausgerichtet war als die Orientierung des Lichts, dann verfängt sich das Atom mit dem Lichtteilchen, das als Photon bezeichnet wird. Wenn zwei Partikel miteinander verschränkt sind, behalten sie auch bei der Trennung eine Verbindung, so dass eine Aktion, die an einem Partikel ausgeführt wird, das andere beeinflusst.

Die Verschränkung öffnet die Tür zur Dekohärenz, da eine Veränderung der Umgebung eines der Partikel den anderen stört. Im Fall des Experiments setzte die Dekohärenz ein, als das Photon, das sich jetzt mit dem Atom verschränkt hatte, vom Lichtdetektor absorbiert wurde.

Das Experiment zeigte jedoch auch, dass, wenn der Spin des Atoms anfangs in dieselbe Richtung wie das Laserlicht ausgerichtet wurde, sich das Photon und das Atom nicht verhedderten und somit die Dekohärenz vermieden wurde.

"In dieser Studie zeigen Glickman et al., Dass die Quantenüberlagerung erhalten bleibt, wenn das Photon in einer genau definierten Richtung detektiert und mit der Phase der Quantenüberlagerung synchronisiert wird", sagte der Physiker Peter Maunz vom Sandia National Laboratory, der dies nicht tat am Projekt beteiligt.

Die Erkenntnis könnte Physikern helfen, die Möglichkeiten der Quantenmechanik für Technologien wie bessere Uhren oder Quantencomputer zu nutzen, die im Vergleich zu herkömmlichen Computern die Leistung und Geschwindigkeit erheblich gesteigert hätten. Um diese Technologien zu realisieren, müssen Wissenschaftler in der Lage sein, Quantensysteme zu manipulieren und zu messen, während sie gleichzeitig ihre Quantennatur bewahren, ohne Dekohärenz zu verursachen.

"Alle diese Technologien sind auf das Quantenverhalten dieser Systeme angewiesen", sagte Ozeri gegenüber WordsSideKick.com. "Zu diesem Zweck müssen Sie wirklich die Dekohärenz bekämpfen. Sie müssen den Mechanismus verstehen, durch den die Abhilfe geschaffen wird."

Die neue Studie ist vielleicht nur ein Schritt in diese Richtung.

"Dies ist ein sehr hübsches Experiment, das den Einblick in den Lichtstreuungsprozess vertieft", sagte Maunz. "Es ist spannend zu sehen, dass die spontane Emission eines Photons nicht notwendigerweise die Quantenüberlagerung zerstört. Die Einsicht in den Prozess der Quantenmessung und die Dekohärenz von Quantensystemen, die durch dieses Experiment erhalten werden, vertieft das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Phänomene und wird die Grundlagen schaffen die Verwendung von von einzelnen Atomen gestreuten Photonen für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung zu verbessern. "

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