Science 

Neues Prüfverfahren vereinfacht Quantenforschung

Die Mathematik hinter Photoshop und Paint hilft jetzt auch bei der Quantenforschung.
Die Mathematik hinter Photoshop und Paint hilft jetzt auch bei der Quantenforschung.
Foto: Imago
Bisher ist es äußerst kompliziert Quanten erfolgreich zu beobachten. Jede Messung verändert bereits den Zustand der Teilchen und damit auch das Ergebnis.

Über kurz oder lang werden Quantentechnologien in den Alltag einziehen. Spätestens dann wird man ihre Funktionstüchtigkeit überprüfen müssen. Doch das ist aufgrund der speziellen Gesetze in der Quantenwelt nicht so einfach. Innsbrucker Physiker berichten nun im Fachjournal „Nature Communications“ über eine neue Methode zur Überprüfung quantenmechanischer Prozesse. Für jede Technologie braucht man - meist standardisierte - Methoden und Protokolle, um zu überprüfen, ob sie verlässlich arbeitet und die Komponenten richtig zusammenspielen. Bei Quantentechnologien gibt es allerdings das Problem, dass in der Welt der Atome, Moleküle und Lichtteilchen ganz andere Regeln gelten als in der makroskopischen Welt. So kann man beispielsweise in der Quantenwelt kein Objekt messen, ohne dessen Zustand ein wenig zu verändern.

Quanten-TÜV für die Technik der Zukunft

Abgesehen davon ist auch der abstrakte Raum, in dem man quantenmechanische Systeme beschreibt (die Physiker nennen das „Konfigurationsraum“), riesengroß. Ohne neue Ideen und Methoden wäre man in diesem riesigen Konfigurationsraum der Möglichkeiten verloren, betonen die Physiker um Jens Eisert von der Freien Universität Berlin sowie Rainer Blatt und Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck in einer Aussendung. In der von ihnen entwickelten Methode nutzen sie neue Ideen aus der angewandten Mathematik, die bisher in der Signal- und Bildverarbeitung angewendet werden, das sogenannte „compressed sensing“ (komprimiertes Abtasten). Der Hintergrund der Methode, die etwa zur Rekonstruktion von Bilddaten eingesetzt wird, lässt sich mit einem Teil eines Zitats von Albert Einstein beschreiben, der sagte: „Not everything that can be counted counts, ...“ (Nicht alles, was gezählt werden kann, zählt). Tatsächlich ist etwa der Informationsgehalt von Daten fast immer deutlich geringer ist, als deren Größe vermuten lässt.

Diese Idee des „compressed sensing“ übertrugen die Wissenschafter auf die Quantenmechanik und die Innsbrucker Physiker erprobten sie experimentell. Sie verwendeten dazu einzelne geladene Teilchen (Ionen), die wie auf einer Perlenkette aufgereiht wurden, und deren quantenmechanischen Eigenschaften mit dem aus der Signal- und Bildverarbeitung kommenden Verfahren überprüft wurden. Weitergedacht ist nach Angaben der Forscher mit solchen Methoden ein Prüfstand für die Präparationen von Quantensystemen denkbar, gewissermaßen ein TÜV für die Quantentechnologien.

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