Mit dem Tennisschläger in die Quantenwelt

Klassische Mechanik hilft Quantencomputer zu steuern

Der Flug eines Tennisschlägers durch die Luft hilft, das Verhalten von Quanten vorherzusagen. „Durch eine Analogie aus der klassischen Physik können wir zuverlässige Steuerungen von Phänomenen der Quantenwelt effizienter entwerfen und veranschaulichen“, berichtet Steffen Glaser, Professor an der Fakultät für Chemie der Technischen Universität München TUM.

„Die Eigenschaften von Quanten zu kontrollieren und für technische Prozesse zu nutzen, ist bisher schwer, denn die Quanten folgen ihren eigenen Gesetzen, die unsere Vorstellungskraft oft übersteigen“, erklärt der Wissenschaftler. „Mögliche Anwendungen wie abhörsichere Netzwerke, hochempfindliche Messgeräte und ultraschnelle Quantencomputer stecken daher noch in den Kinderschuhen.“

Quanten unter Kontrolle

„Will man Quanteneffekte technisch nutzen, indem man das Verhalten der Teilchen durch elektromagnetische Felder beeinflusst, braucht man möglichst schnelle Methoden, um fehlertolerante Steuerungssequenzen entwerfen zu können“, so Glaser. „Bisher basieren die meisten der Methoden jedoch auf sehr aufwändigen rechnerischen Verfahren.“

Zusammen mit einem internationalen Team aus Physik, Chemie und Mathematik hat der Forscher nun einen unerwarteten, vielversprechenden neuartigen Ansatz gefunden: Mit Hilfe des Tennisschläger-Effekts, eines seit langem bekannten Phänomens aus der klassischen Mechanik, kann veranschaulicht werden, wie der Drehimpuls von Quanten durch elektromagnetische Steuerbefehle zuverlässig verändert werden kann.

Tennisschläger im Flug

Der Tennisschläger-Effekt beschreibt, was passiert, wenn man einen Schläger in die Luft wirft und ihn dabei in Rotation versetzt. Wer versucht, den Schläger während des Flugs um seine Querachse rotieren zu lassen, erlebt eine kleine Überraschung: Gleichzeitig mit der beabsichtigten 360 Grad-Drehung um die Querachse vollführt der Schläger fast immer eine zusätzliche Drehung um 180 Grad um seine Längsachse. Fängt man den Schläger auf, zeigt die ehemalige Unterseite nach oben.

„Verantwortlich für diesen Effekt sind kleine Ungenauigkeiten und Störungen beim Abwurf und die unterschiedlichen Trägheitsmomente der drei Achsen eines unsymmetrischen Körpers. Statt des Tennisschlägers kann man auch ein Buch oder ein Mobiltelefon – zur Sicherheit über einer weichen Unterlage – in die Luft werfen, um den Effekt zu sehen“, erläutert Glaser. Die längste und die kürzeste Rotationsachse ist stabil. Die mittlere Achse, im Fall des Tennisschlägers die Querachse, ist jedoch unstabil und schon minimale Störungen führen sehr zuverlässig zu einer zusätzlichen 180 Grad-Drehung.

Quanten in Bewegung

Auch Quanten haben ein Drehmoment, den Spin. Dieser lässt sich durch Anlegen elektromagnetischer Felder beeinflussen. „Das Ziel der Quantentechnik ist es, die Ausrichtung des Spins gezielt zu verändern und dabei Fehler durch kleine Störungen zu minimieren“, so Glaser.

„Die gefundene mathematische Analogie zwischen den geometrischen Eigenschaften der klassischen Physik frei rotierender Objekte und der Steuerung von Quantenphänomenen kann jetzt genutzt werden, um die elektromagnetisch Steuerung von Quantenzuständen zu optimieren“, resümiert Mitautor Prof. Dominique Sugny. Als Hans Fischer-Fellow forscht der Wissenschaftler der französischen Université de Bourgogne auch am Institute for Advanced Study der TUM.

Neue, robuste Modelle

Dass der Tennisschläger-Effekt tatsächlich dabei hilft, die Robustheit von Steuerungs-Sequenzen zu verbessern, konnte das Team durch Messungen an Kernspins experimentell bestätigen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt im Fachjournal „Scientific Reports“.

„Auf der Basis dieser Forschungsergebnisse können wir nun effizientere mathematische Modelle entwickeln, mit denen sich Fehler bei der Steuerung von Quantenprozessoren vermeiden lassen“, ergänzt Glaser. „Aufbauend auf den wohlverstandenen Phänomenen der klassischen Physik kann damit die Entwicklung zuverlässiger Steuerungssequenzen in der Quantentechnologie nicht nur veranschaulicht, sondern auch wesentlich beschleunigt werden.“

Die Arbeiten wurden gefördert aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der französischen Forschungsförderungsorganisationen Agence Nationale de la Recherche (ANR) und Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), des mexikanischen Förderprogramms Convocatorias Abiertas Fondo de Cooperación Internacional en Ciencia y Tecnología del Conacyt (FONCICYT), der Universidad Nacional Autónoma de México, dem Elitenetzwerk Bayern und der Technischen Universität München über das mit Mitteln der deutschen Exzellenzinitiative und der Europäischen Union geförderte Institute for Advanced Study. Die Experimente wurden am Bayerischen NMR-Zentrum in Garching durchgeführt.

Publikation:

Linking the rotation of a rigid body to the Schrödinger equation: The quantum tennis racket effect and beyond
L. Van Damme, D. Leiner, P. Mardešić, S. J. Glaser & D. Sugny
Scientific Reports 7, Article number: 3998 (2017) – DOI: 10.1038/s41598-017-04174-x

Bild:

mediatum.ub.tum.de/1368067

Weitere Informationen:

Newton auf den Kopf gestellt

Die Visualisierung der Matrix

Kontakt:

Prof. Dr. Steffen Glaser
Technische Universität München
Lehrstuhl für Organische Chemie
Lichtenbergstr.4, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 52602 – E-Mail – Web

Prof. Dr. Dominique Sugny
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB)
UMR 5209 CNRS-Université Bourgogne Franche Comté
9 Av. A. Savary, BP 47 870, F-21078, Dijon Cedex, France
Tel.: +33 380 395972 – E-Mail