Quantenparadox: Heiße Teilchen mit eiskalter Drehung

ZÜRICH / WIEN / LONDON (IT BOLTWISE) – Ein bemerkenswerter Durchbruch in der Quantenmechanik könnte die Entwicklung praxistauglicher Quantentechnologien erheblich vorantreiben.

Ein Team von Wissenschaftlern der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich und der Technischen Universität (TU) in Wien hat einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenmechanik erzielt. Sie haben es geschafft, die Rotationsbewegung eines schwebenden Nanoteilchens in seinen Quanten-Grundzustand zu versetzen, und das bei Raumtemperatur. Diese Errungenschaft könnte die Entwicklung von Quantentechnologien erheblich vereinfachen, da sie ohne die bisher notwendige, aufwendige kryogene Kühlung auskommt.

Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in der Nutzung einer optischen Pinzette, die aus einem stark fokussierten Laser besteht. Ein winziges Glaspartikel, kleiner als ein Sandkorn, wird in einem Ultrahochvakuum von dieser optischen Pinzette festgehalten. Aufgrund seiner elliptischen Form richtet sich das Partikel entlang der Polarisationsrichtung des Laserlichts aus und führt dabei eine harmonische Drehschwingung aus, die als Libration bekannt ist.

Um den Quanten-Grundzustand zu erreichen, koppelte das Forscherteam das schwebende Teilchen an einen optischen Resonator. Durch ein ausgeklügeltes System aus Spiegeln und Lasern wurde dem Teilchen gezielt Energie entzogen. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit für Prozesse, die Energie abführen, während solche, die Energie zuführen, unterdrückt werden. Diese Methode führte zu einer Quanten-Reinheit von 92 Prozent, was ein bemerkenswerter Erfolg ist.

Ein zentrales Problem bei derartigen Experimenten ist das technische Rauschen, insbesondere das Phasenrauschen des Lasers, das das System stören und aufheizen kann. Durch die aktive Unterdrückung dieses Rauschens gelang es den Forschern, die Rotationsbewegung des Teilchens so weit zu beruhigen, dass sie fast ausschließlich ihrem quantenmechanischen Grundzustand entsprach. Dieser Erfolg zeigt, dass die Rotation eines Teilchens quasi einfrieren kann, obwohl das Teilchen selbst eine hohe Temperatur hat.

Diese Entdeckung hat weitreichende Implikationen für die Zukunft der Quantentechnologie. Sie könnte die Grundlage für extrem empfindliche Sensoren bilden, die in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin oder bei der Erforschung fundamentaler physikalischer Gesetze, wie der Gravitation auf Quantenebene, eingesetzt werden. Obwohl dieser Durchbruch hochspezifisch ist und nicht bedeutet, dass alle Quantensysteme ohne Kühlung auskommen, zeigt er einen neuen, technisch praktikableren Weg auf, um die Grenzen der Quantenwelt zu erforschen und nutzbar zu machen.

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