Da soll ja keiner sagen, Physiker seien nicht flexibel. Sie können es sogar allen Recht machen. Gleichzeitig.
In Nature 459 haben der deutsche PostDoc Max Hofheinz und seine Kollegen John Martinis und A. N. Cleland und andere von der University of California in Santa Barbara ein Paper, in dem sie eine Methode präsentieren, eine Falle für einzelne Photonen zu präparieren. Nein, das ist noch zu einfach. Sie haben eine Falle, in der sie mehrere Zustände von Photonen überlagern können. Beispielsweise ist |0> ein Zustand, bei dem 0 Photonen in der Falle sitzen. |5> ist ein Zustand mit genau 5 Photonen. So einen Quantenzustand mit einer festen Anzahl nennt man einen Fock-Zustand. In der Falle aber können die Forscher Zustände erzeugen, die sich ein einer Überlagerung mehrerer Fock-Zustände befinden.
Die Falle ist ein supraleitender Resonator, in dem die Photonen dauerhaft hin- und hergespiegelt werden. An den Resonator gekoppelt ist ein Qubit, das ist ein einfaches Quantensystem, das genau zwei Zustände einnehmen kann, einen Grundzustand |g> und einen angeregten Zustand |e>. Wenn man nun einer bestimmten Methode folgt, kann man aus dem Qubit Anregungen in den Resonator übertragen, und durch ein bestimmtes Protokoll, bei dem man mit den Fock-Zuständen mit hoher Photonenzahl anfängt, kann man eine Superposition von Photonenzuständen erzeugen.
Was heißt das? Wir erinnern uns an das bekannte Gedankenexperiment zur Superposition: Schrödingers Katze, die so lange gleichzeitig tot und lebendig ist, bis man nachsieht. Der Zustand in der Photonenfalle hat gleichzeitig z.B. 0, 3 und 6 Photonen.
Mit einer speziellen Methode kann man dann Verteilungsfunktionen ermitteln, die den Zustand im Resonator wiedergeben und kann diese mit den berechenbaren erwarteten Verteilungen für solch einen überlagerten Zustand vergleichen:
Im oberen sieht man die theoretische Verteilung – im unteren die ermittelte im Experiment – eine tolle Übereinstimmung. Wenn man jetzt dieses System wirklich messen würde, würde die überlagerte Wellenfunktion kollabieren und sich “entscheiden”, 0, 3 oder 6 Photonen zu haben.
Hofheinz, M., Wang, H., Ansmann, M., Bialczak, R., Lucero, E., Neeley, M., O’Connell, A., Sank, D., Wenner, J., Martinis, J., & Cleland, A. (2009). Synthesizing arbitrary quantum states in a superconducting resonator Nature, 459 (7246), 546-549 DOI: 10.1038/nature08005
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