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Photonik: Quantenexperimente aus dem Computer

Ein neuer Algorithmus entwickelt komplizierte quantenmechanische Versuchsanordnungen, auf die Forscher bislang nicht gekommen sind.
Laserforschung im Labor

Um Quantenphänomene besser zu verstehen und die Vorhersagen der Theorie zu überprüfen, sind Laborversuche unerlässlich. Die Gesetze auf der Größenordnung von Lichtteilchen und Atomen sind jedoch derart seltsam und unintuitiv, dass es schwierig ist, neue Experimente zu konzipieren. Ihre Designer müssen Effekte miteinander kombinieren, von denen jeder einzelne der Alltagserfahrung widerspricht. Irgendwann scheitert dabei zwangsläufig die menschliche Vorstellungskraft.

Das mussten wir, Quantenphysiker in der Gruppe von Anton Zeilinger an der Universität Wien, vor einiger Zeit selbst feststellen. Wir wollten eine komplexe, niemals zuvor erzeugte Art von Quantenverschränkung im Labor untersuchen. Normalerweise betrifft das Phänomen der Verschränkung zwei Teilchen, deren mögliche Zustände aneinandergekoppelt sind und die erst bei einer Messung auf einen davon festgelegt werden. Bei unserem Versuch wollten wir nun sogar drei Photonen mit­einander verschränken, die gemeinsam eine von drei Eigenschaften annehmen sollten. Anschaulich gesprochen sind dann alle drei Photonen entweder rot, grün oder blau, und die Messung des ersten Lichtteilchens würde sofort die Farbe der anderen zwei bestimmen. Im tatsächlichen Experiment benutzten wir allerdings nicht die Wellenlänge, sondern eine andere Eigenschaft der Photonen, ihren Drehimpuls.

Wir versuchten, uns einen passenden Aufbau auszudenken, der diesen Zustand erzeugt. Zu unserer Über­raschung war das gar nicht so einfach. Sämtliche Experimente, die wir anhand unserer früheren Erfahrungen ausprobiert hatten, funktionierten nicht. Nachdem wir mehrere Wochen lang ver­zweifelt immer ausgefallenere Ideen bemüht hatten, wurde uns klar: Ein grundsätzlich anderer Ansatz war nötig. Erfahrung und Intuition brachten uns offenbar nicht weiter. Sollten wir es stattdessen mit zufälligen Kombinationen probieren? Das ist jedoch etwas, was ein Computer auch kann – noch dazu viel schneller als ein Mensch. ...

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Spektrum der Wissenschaft – Quantengravitation im Labor: Experimente könnten die Quantennatur der Raumzeit enthüllen

Zwei Artikel in dieser Ausgabe stellen neue Experimente und Versuchsideen vor, die das postulierte Quantenteilchen der Schwerkraft, das Graviton, sowie die die Quantennatur der Raumzeit nachweisen sollen. Aktuell werden die ersten Versuche dieser Art umgesetzt und von der Fachwelt mit Spannung verfolgt. Daneben berichten wir über Tensornetzwerke, die klassische Computer leistungsfähiger machen als gedacht und so eine Konkurrenz für Quantencomputer darstellen. Außerdem: wie gentechnisch maßgeschneiderte Phagen – Viren, die Bakterien befallen – in der Medizin eine wichtige Rolle übernehmen könnten, neue Erkenntnisse über die neolithische Revolution am Amazonas und die Diskussion, ob auch in der Ökologie eine Replikationskrise besteht.

Spektrum - Die Woche – Spermakrise: Mysteriöser Samenschwund

Könnte die Menschheit aussterben, weil Männer immer weniger funktionstüchtige Samenzellen haben? Unsere Titelgeschichte »Mysteriöser Samenschwund« informiert über die »Spermakrise«. Zahlreiche Studien deuten auf einen Rückgang der Spermienzahlen hin. Wie ernst ist die Lage wirklich?

Spektrum Kompakt – Paradox und Dilemma - Ausweglose Situationen in der Mathematik

Das Lösen von Paradoxa hat die Mathematik vorangebracht. Allerdings verstecken sich die Widersprüche auch im Alltag; zum Beispiel in den berühmten Fragen, wieso man so lange auf den Fahrstuhl warten muss, warum die Bahn immer zu spät kommt und wie lang die Grenze zwischen zwei Ländern wirklich ist.

  • Quellen

Krenn, M. et al.:Automated Search for new Quantum Experiments. In: Physical Review Letters 116, 2016

Malik, M. et al.:Multi-Photon Entanglement in High Dimensions. In: Nature Photonics 10, S. 248 – 252, 2016

Schlederer, F. et al.:Cyclic Transformation of Orbital Angular Momentum Modes. In: New Journal of Physics 18, 2016

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