Archiv der Kategorie: Widerhall des Urknalls

Wie ein expandierendes Universum erzeugt werden kann

Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen – ganz ohne Urknall. Diesen Phasenübergang zwischen einem leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte ein Forschungsteam nun berechnen. Dahinter liegt ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie.

Kochen mit Raum und Zeit

Aus dem Alltag kennen wir Phasenübergänge nur von Stoffen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln. Allerdings können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Steven Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Sie berechneten, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden kann.

Lässt sich bei einem ähnlichen Prozess aber auch ein ganzes Universum erzeugen, das sich kontinuierlich ausdehnt, so wie unseres? Diese Frage stellte sich Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien gemeinsam mit Kollegen aus Harvard, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Edinburgh. Das Ergebnis: Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird. „Die leere Raumzeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein“, erklärt Daniel Grumiller.

 Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit - zumindest am Papier. Foto: TU Wien
Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit – zumindest am Papier. Foto: TU Wien

Das Universum muss dabei rotieren – das Kochrezept für ein expandierendes Universum lautet also: Erhitzen und umrühren. Diese Rotation kann allerdings beliebig gering sein. Bei den Berechnungen wurden vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt. „Es gibt aber nichts, was dagegen spricht, dass es in drei Raumdimensionen genauso ist“, meint Grumiller.

Das Phasenübergangs-Modell ist nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie gedacht. „In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum – das zweifeln wir nicht an”, sagt Grumiller. “Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann“.

Auf der Suche nach der Struktur des Universums

Die Theorie ist die logische Fortsetzung  einer 1997 aufgestellten Vermutung, der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien – zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben. In bestimmten Grenzfällen lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt.  Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden so in Verbindung gebracht, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.

Letztes Jahr wurde von Daniel Grumiller und Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt (der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen). Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muss.

„Das war zunächst ein Rätsel für uns“, sagt Daniel Grumiller. „Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich.“ Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass genau diesen Übergang tatsächlich gibt. “Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen“, meint Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar. (Quelle: idw)

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Besondere Fähigkeiten bei Roboter gefunden: Er hat Bewusstsein

Wissenschaftler der Universität Bielefeld haben bei dem von ihnen entwickelten Roboter besondere Fähigkeiten gefunden: Diese deuten darauf hin, dass der Roboter ein Bewusstsein entwickelt hat.

Für Menschen ist es normal: Taucht ein Problem auf, denken sie über unterschiedliche mögliche Handlungsschritte nach, erproben in Gedanken deren Konsequenzen und entscheiden sich dann für eine Vorgehen. Seit Anfang 2011 arbeiten Forscher der Universität Bielefeld daran, dass auch Roboter dieses Probehandeln durchführen können.

Um ihr Ziel – einen Roboter der Probehandeln kann – zu erreichen, haben die Forscher ein reaktives System auf Insektenbasis entwickelt. Der Roboter mit Namen Hector ähnelt einer Stabheuschrecke und reagiert auf Umweltreize, er kann also zum Beispiel über einen Stein klettern, wenn dieser im Weg liegt. Das Neue an Hector: Die Forscher haben sein System um kognitive Komponenten erweitert. Der Heuschrecken-Roboter kann so beispielsweise neue Verhaltensweisen erfinden und das Probehandeln erlernen. Dieses vollzieht der Roboter dann, wenn ein Problem auftritt, das das reaktive System nicht lösen kann – dann schaltet sich Hectors kognitives System dazu, sodass der Roboter unterschiedliche Verhaltensweisen durchspielt und überlegt, welche Handlungsoptionen bestehen. Ganz nach dem Motto: Erst denken, dann handeln.

Prof. Dr. Holk Cruse (Bild), Biologe an der Universität Bielefeld, und sein Forschungspartner Malte Schilling haben entdeckt, dass Roboter ein Bewusstsein entwickeln können. Foto: Universität Bielefeld
Prof. Dr. Holk Cruse (Bild), Biologe an der Universität Bielefeld, und sein Forschungspartner Malte Schilling haben entdeckt, dass Roboter ein Bewusstsein entwickeln können.
Foto: Universität Bielefeld

„Der Bau von Roboter Hector ist noch nicht ganz abgeschlossen, aber die Simulation, das heißt sein virtuelles Gegenstück am Computer, ist zu 90 Prozent fertiggestellt“, sagt Professor Dr. Holk Cruse, einer der beteiligten Forscher. „In der Theorie sind wir uns also schon sehr sicher, dass Hector Probehandeln kann.“ Am Projektende soll auch der reale Roboter – der bislang noch nicht vollständig fertiggestellt ist – zeigen können, dass er das Probehandeln beherrscht. „Nachdem wir unser Basisziel erreicht hatten, haben wir geschaut, was der Roboter noch kann. Dabei ergab sich, dass er gewisse emergente Fähigkeiten entwickelt hat, die auf ein Bewusstsein hindeuten“, so Cruse. „Emergent sind Eigenschaften dann, wenn sie nicht in das System eingebaut wurden, schließlich aber trotzdem vorhanden sind.“

Bislang ist die Annahme verbreitet, dass derartige emergente Eigenschaften, zu denen unter anderem die Kontrolle der Aufmerksamkeit und eben auch das Bewusstsein gehören, nur in komplexen Systemen möglich sind. „Unsere Forschung zeigt, dass auch weniger komplexe Systeme höhere Fähigkeiten entwickeln können“, sagt Malte Schilling, Forschungspartner von Holk Cruse. Zu den Aspekten von Bewusstsein, die der Roboter entwickelt hat, zählen unter anderem Intentionen sowie die sogenannte globale Zugänglichkeit. Intentionen bezeichnen Zustände, bei denen das ganze Verhalten einem Ziel – beispielsweise der Futtersuche – untergeordnet ist. Mit globaler Zugänglichkeit ist gemeint, dass Gedächtniselemente zugänglich sind, auch wenn gerade etwas anderes gemacht wird. Beispielsweise ist jemand der läuft, trotzdem in der Lage nachzudenken und nebenbei noch etwas anderes zu machen. „Diese und weitere Aspekte von Bewusstsein, die wir bei Hector finden konnten, sind sozusagen Abfallprodukte der eigentlichen Forschungsarbeit – allerdings sehr interessante“, sagt Cruse. „Sie zeigen, dass wichtige Eigenschaften des Bewusstseins auch bei sehr kleinen Gehirnen, und eben auch in künstlichen Systemen, vorkommen können“, sagt Cruse. (Quelle: idw)

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Fließspuren von Wasser auf dem Mars gefunden

Dunkle Fliessspuren, wie hier im Palikir Krater, bilden sich in jedem Mars-Frühjahr. Sie gelten als Beleg für flüssiges Wasser und wurden nun erstmals am Mars-Äquator beobachtet.  Bild: NASA/JPL/University of Arizona
Dunkle Fliessspuren, wie hier im Palikir Krater, bilden sich in jedem Mars-Frühjahr. Sie gelten als Beleg für flüssiges Wasser und wurden nun erstmals am Mars-Äquator beobachtet.
Bild: NASA/JPL/University of Arizona

Bilder der NASA-Raumsonde «Mars Reconaissance Orbiter» zeigen Spuren von flüssigem Wasser in Canyons am Mars-Äquator – und damit bei möglichen Landeplätzen künftiger bemannter Missionen. Mit dieser Entdeckung knüpft ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern an frühere Beobachtungen an.

Sie sind ein «Highlight» in der Marsforschung, sagt Nicolas Thomas, Professor am Center for Space and Habitability (CSH) der Universität Bern: Auf der Oberfläche des Roten Planeten wurden Fliessspuren entdeckt, die im Frühling erscheinen, während dem Mars-Sommer wachsen und im Winter wieder verschwinden. Sie kommen in jedem Mars-Jahr an den gleichen Orten vor. Beobachtet wurden sie das erste Mal vor rund vier Jahren in moderaten südlichen Breitengraden – und sie werden als Beleg dafür gesehen, dass auf der Mars-Oberfläche flüssiges Wasser existiert. Nun hat ein internationales Team mit Berner Beteiligung Hinweise auf solche Spuren in den Canyons von «Vallis Marineris» gefunden. Diese Erkenntnisse, die im Journal «Nature Geoscience» publiziert werden, zeigen laut Nicolas Thomas, dass «flüssiges Wasser in äquatorialen Regionen – einem primären Ziel für zukünftige Landplätze von Sonden – vorkommen könnte».

Möglich wurden diese Beobachtungen durch die Kamera des Forschungsprojekts «High Resolution Imaging Science Experiment» (HiRISE), die sich an Bord der NASA-Raumsonde «Mars Reconnaissance Orbiter» befindet. Die bisherigen Auswertungen stützen die Vermutung, dass die Spuren durch flüssiges Wasser verursacht werden. «HiRISE hat gezeigt, dass der Mars viel dynamischer ist, als wir erwartet haben», erklärt Nicolas Thomas. «Wir konnten subtile Veränderungen bei der Helligkeit der Marsoberfläche beobachten, was darauf hinweist, dass ein benetzter Boden getrocknet ist.» Denn dieser zeige danach veränderte lichttechnische Eigenschaften, bei denen Salze eine Rolle spielen könnten. Um diese Beobachtungen im Labor zu reproduzieren, führt das Team des CSH Experimente mit simuliertem Mars-Boden – der zumeist aus Hawaii stammt – durch.

Publikation:

Alfred S. McEwen, Colin M. Dundas, Sarah S. Mattson, Anthony D. Toigo, Lujendra Ojha, James J. Wray, Matthew Chojnacki, Shane Byrne, Scott L. Murchie and Nicolas Thomas: Recurring slope lineae in equatorial regions of Mars, Nature Geoscience, in press, doi: 10.1038/NGEO2014

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Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

 

Bedrohung aus dem All: Komet ISON kommt uns nahe

München (ots) – Einst bombardierten Kometen unser Sonnensystem, brachten vermutlich Wasser und Leben auf die Erde und hinterließen bis heute sichtbare Krater. Würde heute ein Komet der Größe von Shoemaker-Levy 9, der 1994 auf Jupiter einschlug, auf die Erde treffen, gäbe es sie nicht mehr. Das schreibt das Weltraum-Magazin SPACE in seiner Ausgabe 1/2014.

Großes Bombardement – so nennt die Wissenschaft den Kometensturm, der vor vier Milliarden Jahren die Planeten und Monde unseres Sonnensystems traf und bis heute sichtbare Krater hinterließ. Wie viele Kometen am Rande unseres Sonnensystems – im Kuipergürtel und in der sogenannten Oortschen Wolke – herumfliegen und jederzeit der Erde gefährlich werden können, lässt sich nicht sagen. Gelegentlich verlässt ein Komet diesen Bereich und fliegt durch das Sonnensystem; das kann man von der Erde aus beobachten. Wenn die Theorie von der Oortschen Wolke stimmt, besteht durchaus Gefahr: “Wenn da 100 Millionen Kometen in der hypothetischen Ooortschen Wolke in einem Lichtjahr Entfernung herumkreisen und es dort zu einer Störung kommt, dann könnte es wirklich zu einem erneuten Großen Bombardement kommen”, meint Astronomie-Experte Nick Howes.

Die Folgen eines solchen Kometensturms auf unser Sonnensystem wären verheerend. Glücklicherweise lenken die Großplaneten wie Jupiter viele der anfliegenden Objekte auf sich, etwa den Kometen Shoemaker-Levy 9, der im Juli 1994 in Trümmer von bis zu zwei Kilometern Durchmesser zerbarst und auf dem Jupiter aufschlug. Würde ein ähnliches Ereignis die Erde treffen, wären die Folgen apokalyptisch. “Solch ein Komet könnte in 100 Millionen Jahren kommen oder nächste Woche. Wir wissen es nicht”, so Nick Howes.

Aktuell ist Komet Ison in Sichtweite gerückt: Seit Ende November 2013 ist er der Sonne besonders nah. Wissenschaftler vermuten, dass er unterwegs in Fragmente zerbersten könnte. Viele gehen davon aus, dass sein Schweif bis Januar hell leuchten und für auch für Hobby-Astronomen am Nachthimmel sichtbar sein wird.

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Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Gigantische Versuchsanordnung im arktischen Eis findet Geisterteilchen

Neutrino-Jagd im ewigen Eis: Das Bild zeigt einen von 5.160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die am Südpol installiert wurden.  (c) Foto: IceCube Collaboration/NSF
Neutrino-Jagd im ewigen Eis: Das Bild zeigt einen von 5.160 hochempfindlichen Lichtsensoren, die am Südpol installiert wurden.
(c) Foto: IceCube Collaboration/NSF

Darauf hat die IceCube-Kollaboration seit Jahren hingearbeitet. Nun deutet alles darauf hin, dass den Forschern im antarktischen Eis Neutrinos von außerhalb unseres Sonnensystems ins Netz gegangen sind. Unter den gefundenen Ereignissen befinden sich Neutrinos mit Energien, die tausendmal höher sind, als man sie auf der Erde selbst erzeugen kann. Diese kosmischen Neutrinos können einzigartige Informationen über den Aufbau von Supernovas, Gamma-Ray-Blitze oder Schwarzen Löchern liefern.

Das Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol ist weltweit einmalig. In einem Kubikkilometer Eis sind insgesamt 5.160 hochempfindliche Lichtsensoren installiert. Wenn doch mal ein Neutrino im Eis wechselwirkt, entstehen geladene Teilchen die mit nahezu Lichtgeschwindigkeiten weiterfliegen. Diese erzeugen ein schwaches bläuliches Licht, das von den Detektoren aufgefangen wird.

„Wir sehen hochenergetische Neutrinos, von denen wir jetzt mit ziemlicher Sicherheit sagen können, dass sie astrophysikalischen Ursprungs sind“, sagt Prof. Dr. Marek Kowalski vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. Neutrinos sind ganz besondere Teilchen: Sie können anders als elektromagnetische Strahlung sämtliche Materie durchdringen. Mit ihrer Hilfe lässt sich wie mit einem Röntgenapparat in die verstecktesten Winkel des Universums blicken. Allerdings wechselwirken diese Teilchen kaum und könnten selbst von einer Bleiabschirmung mit 1000 Kilometer Dicke nicht aufgehalten werden. Ihr Nachweis ist deshalb besonders schwierig. Mit der gigantischen Messeinrichtung „IceCube“ in der Antarktis sind nun dennoch zum ersten Mal Hinweise für hochenergetische Neutrinos aus dem Weltall gefunden worden.

Die meisten Neutrinos auf der Erde entstehen bei niedrigen Energien durch Kernfusion in der Sonne, sie können sich aber auch in der Erdatmosphäre bilden. Die Forscher des IceCube Projektes interessieren sich aber besonders für hochenergetische Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen – zum Beispiel von Supernovas, Gamma-Ray-Blitzen oder galaktischen Schwarzen Löchern. Denn Neutrinos sind die einzigen Teilchen, die aus dem Inneren dieser Quellen entkommen können und damit einzigartige Informationen über ihren Aufbau liefern.

Morgendämmerung für ein neues Zeitalter der Astronomie

Gelungen ist der Nachweis der Neutrinos einem internationalen Team von rund 250 Wissenschaftlern und Ingenieuren der IceCube-Kollaboration unter Beteiligung der Astroteilchen-Gruppe von Prof. Kowalski. Mit der gigantischen Versuchsanordnung im antarktischen Eis wurden in den vergangenen zwei Jahren insgesamt 28 Neutrinos mit Energien größer als 30 Tera-Elektronenvolt (TeV), darunter zwei Ereignisse mit über 1000 TeV registriert. Dieser Fund war für die Forscher so bedeutsam, dass die Teilchen sogar eigene Namen bekamen: Ernie & Bert – den beiden beliebten Figuren aus der Fernsehserie „Sesamstraße“.

Mit der verbesserten Analyse der Daten, die nun auch die Richtung der Neutrinos liefert, konnten nicht nur diese beiden, sondern ein Großteil dieser Teilchen als potentielle kosmische Fernreisende identifiziert werden. „Das ist der erste Hinweis auf hochenergetische Neutrinos, die von außerhalb unseres Sonnensystems kommen“, sagt Prof. Dr. Francis Halzen, Projektleiter des IceCube-Experiments von der Universität Wisconsin-Madison (USA). „Dies ist die Morgendämmerung für ein neues Zeitalter der Astronomie.“

Ein Rätsel bleiben jedoch noch die Quellen, aus denen die Neutrinos im Weltraum stammen. Eine Möglichkeit sind Supernovas, bei denen die hochenergetischen Teilchen freigesetzt werden. Das Bild, das sich aus dem IceCube-Experiment abzeichnet, stellt sich für die Wissenschaftler noch verschwommen dar. „Wir können die kosmischen Quellen der Teilchen noch nicht nachweisen, weil wir bislang nicht exakt genug bestimmen konnten, aus welcher Richtung die Neutrinos aus dem Weltall in das Eis eindringen“, erklärt Prof. Kowalski. Die Forscher hoffen darauf, demnächst noch mehr Teilchen nachzuweisen, damit sich die Quellen allmählich schärfer abzeichnen.

Publikation: Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector, Science, DOI: 10.1126/science.1242856

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Verrückte Quanten bereiten klassischer Physik Niederlage

Quantenphysikalische Teilchen können an mehreren Orten gleichzeitig sein und hinterlassen dabei sogar Spuren. Das haben Physiker der Goethe-Universität in einem verblüffenden Experiment nachgewiesen, das Albert Einstein vor mehr als 80 Jahren anregte. Damals konnte sein wichtigster Kontrahent, der Physiker Niels Bohr, ihm lediglich Argumente entgegensetzten. Jetzt geben die neuen Experimente dem Dänen Recht.

FRANKFURT. Einstein hat Zeit seines Lebens die quantenphysikalische Aussage bekämpft, dass Teilchen – solange man sie nicht beobachtet – an mehreren Orten gleichzeitig sein können. Sein wichtigstes Gegenargument war: Die geisterhaften Teilchen müssten durch Zusammenstöße mit anderen Teilchen entlang ihrer Bahn eine sichtbare Spur hinterlassen. Eben diese Spur hat Dr. Lothar Schmidt in der Arbeitsgruppe von Prof. Reinhard Dörner am Institut für Kernphysik der Goethe-Universität nun gemessen.

Das klassische Experiment, das auch heutigen Physikstudenten noch Kopfzerbrechen bereitet, ist die Streuung quantenphysikalischer Teilchen am Doppelspalt. Solange es unbeobachtet ist, scheint jedes einzelne Teilchen durch beide Schlitze des Spalts zu gehen. Es bildet – ähnlich wie Wasserwellen – ein Interferenzmuster hinter dem Spalt. Dieses verschwindet aber, sobald man eine Information über den Weg des Teilchens zu gewinnen versucht.

Einstein argumentierte, man müsse gar nicht nachsehen, wo das Teilchen ist, denn es verrate seinen Ort indirekt, indem es beim Passieren des Spalts einen Impuls überträgt: Ginge es durch den linken Schlitz, erfahre das Beugungsgitter einen minimalen Stoß nach links, und entsprechend nach rechts, wenn es durch den rechten Spalt geht. Bohr konterte, auch das Beugungsgitter verhalte sich wie ein quantenmechanisches System, das heißt, es müsse gleichzeitig in beide Richtungen abgelenkt werden.

Dass diese verrückt klingende Vermutung tatsächlich richtig ist, haben Dörner und seine Mitarbeiter jetzt durch die Streuung von Helium-Atomen an einem „Doppelspalt“ nachgewiesen. Mit den Modellen der klassischen Physik lassen sich die gemessenen Ergebnisse nicht beschreiben. „Da wir bei dieser Versuchsanordnung nicht beobachten, durch welches Loch das Teilchen gegangen ist, passiert genau das, was Bohr vorhergesagt hat: Der Doppelspalt rotiert gleichzeitig mit und gegen den Uhrzeigersinn“, erklärt Schmidt. (Quelle: idw).

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Durchbruch bei Quantenteleportation: Quantenbits auf Knopfdruck übertragen

Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist. Quelle: University of Tokyo
Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist.
Quelle: University of Tokyo

Mithilfe quantenmechanischer Verschränkung räumlich getrennter Lichtfelder ist es Wissenschaftlern aus Tokio und Mainz gelungen, photonische Quantenbits außerordentlich zuverlässig zu teleportieren. Rund 15 Jahre nach den ersten Versuchen auf dem Gebiet der optischen Teleportation ist damit ein entscheidender Durchbruch gelungen.

Der Erfolg des in Tokio durchgeführten Experiments beruht auf einer Hybridtechnik, bei der zwei konzeptionell verschiedene, bisher unvereinbare Ansätze verknüpft werden. „Diskrete, digitale optische Quanteninformation kann dabei kontinuierlich und damit sozusagen auf Knopfdruck übertragen werden“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Peter van Loock von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Van Loock hat als Physik-Theoretiker die experimentellen Physiker um Akira Furusawa von der Universität Tokio beraten, wie sie den Teleportationsversuch am effizientesten durchführen und eine erfolgreiche Quantenteleportation letztlich auch verifizieren können. Die Forschungsarbeiten wurden in dem renommierten Fachmagazin Nature am 15. August 2013 veröffentlicht.

Die Quantenteleportation ermöglicht den Transfer von beliebigen Quantenzuständen von einem Sender, als Alice bezeichnet, zu einem räumlich entfernten Empfänger, genannt Bob. Voraussetzung ist, dass sich Alice und Bob zunächst einen verschränkten Quantenzustand, z.B. in Form von verschränkten Photonen, über die Distanz teilen. Die Quantenteleportation ist von fundamentaler Bedeutung für die Verarbeitung von Quanteninformation (Quantencomputing) und die Quantenkommunikation. Insbesondere für die Quantenkommunikation gelten Photonen als optimale Informationsträger, da sie eine Signalübertragung mit Lichtgeschwindigkeit ermöglichen. Mit einem Photon kann man ein Quantenbit oder Qubit darstellen – analog zu einem Bit in der klassischen Informationsverarbeitung. Man spricht dann von „fliegenden Quantenbits“.

Erste Versuche zur Teleportation von einzelnen Photonen, die auch als Lichtteilchen bezeichnet werden, gehen auf den Wiener Physiker Anton Zeilinger zurück. In der Zwischenzeit wurden verschiedene Experimente durchgeführt, allerdings stieß die Teleportation eines photonischen Quantenbits mithilfe der herkömmlichen Methoden aufgrund von experimentellen Unzulänglichkeiten und grundsätzlichen Prinzipien an Grenzen.

Der Schlüssel für das Experiment in Tokio ist eine Hybridtechnik. Mit ihrer Hilfe ist es gelungen, experimentell eine vollkommen deterministische Quantenteleportation von photonischen Qubits zu erzielen, bei der die Teleportation mit außerordentlich hoher Zuverlässigkeit erfolgt. Die Genauigkeit der Übertragung liegt bei 79 bis 82 Prozent für vier unterschiedliche Qubits. Außerdem konnten die Qubits selbst bei einem geringen Grad der Verschränkung wesentlich effizienter teleportiert werden als in früheren Experimenten.

Verschränkung-on-Demand durch Lichtquetschung

Der Begriff der Verschränkung geht auf Erwin Schrödinger zurück und bezeichnet den Befund, dass zwei Quantensysteme, beispielsweise zwei Lichtteilchen, einen gemeinsamen Zustand einnehmen und in ihrem Verhalten auf stärkere Weise voneinander abhängen als es klassisch möglich ist. Bei dem Tokioter Experiment wurde durch die Verschränkung von vielen Photonen mit vielen Photonen eine kontinuierliche Verschränkung erzeugt, bei der nicht nur einzelne wenige Lichtteilchen, sondern die kompletten Amplituden und Phasen zweier Lichtfelder miteinander quantenkorreliert sind. Bisherige Experimente hatten dagegen jeweils nur ein einzelnes Photon mit einem anderen einzelnen Photon verschränkt – eine weniger effiziente Lösung. „Die Verschränkung von Photonen hat in dem Tokio-Experiment sehr gut funktioniert – praktisch auf Knopfdruck, sobald der Laser eingeschaltet wurde“, beschreibt van Loock, Professor für Theorie der Quantenoptik und Quanteninformation, den Versuch. Erreicht wurde diese kontinuierliche Verschränkung durch sogenanntes gequetschtes Licht, das im Phasenraum des Lichtfeldes die Form einer Ellipse annimmt. Ist die Verschränkung erzeugt, kann ein drittes Lichtfeld beim Sender angeheftet werden. Von dort können dann im Prinzip beliebige und beliebig viele Zustände an den Empfänger übertragen werden. „In unserem Experiment waren es genau vier ausreichend repräsentative Testzustände, die unter Benutzung der Verschränkung von Alice übermittelt wurden und bei Bob entsprechende Zustände erzeugt haben. Dank der kontinuierlichen Verschränkung ist es möglich, dass die photonischen Qubits deterministisch, also bei jedem Versuch, zu Bob übertragen werden“, ergänzt van Loock.

Frühere Experimente zur optischen Teleportation waren unterschiedlich angelegt und bis heute inkompatibel. Von physiktheoretischer Seite wurde zwar angenommen, dass die beiden unterschiedlichen Ansätze, die diskrete und die kontinuierliche Welt, zu verbinden sind. Dass es nun im Experiment mit der Hybridtechnik tatsächlich gelungen ist, stellt einen technologischen Durchbruch dar. „Jetzt nähern sich die beiden Welten an“, so van Loock.
( Quelle: idw. Veröffentlichung: Shuntaro Takeda et al. Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique. Nature, 15. August 2013. DOI: 10.1038/nature12366)
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Der Anfang des Lebens

Nach der Entstehung der Erde bildeten sich im Ur-Ozean aus einzelnen Molekülen nach und nach komplexe genetische Informationen. Physiker haben nun gezeigt, wie ein einfacher Temperaturgradient diesen Prozess in Gang gesetzt haben könnte.

Alles Leben fängt einmal klein an. So war es schon zu Beginn unseres Planeten, als sich aus einzelnen Atomen und kleinen Molekülen langsam komplexe Strukturen entwickeln konnten. Die wichtigste Verbindung war damals vermutlich die Ribonukleinsäure (RNA). Dieses lange Polymer kann ähnlich einem Enzym erste biochemische Reaktionen und seine eigene Synthese katalysieren. Zugleich ist es in der Lage, wie die erst später entstandene DNA genetische Informationen zu speichern.

Noch ist aber unklar, wie die allerersten RNA-Polymere entstanden sind. Die erste RNA-Struktur, welche RNA vervielfältigen kann wird auf eine Länge von mindestens 200 RNA-Bausteinen (Nukleotide) geschätzt, die sich ohne Katalysatoren zusammengesetzt haben müssen. Bisher konnten Wissenschaftler im Reagenzglas unter urzeitlichen Bedingungen aber nur Ketten von etwa 20 Nukleotiden bilden.

Gesteinspore als Mini-Labor

LMU-Physiker um Professor Dieter Braun und Professor Ulrich Gerland, die beide dem Exzellenzcluster „Nanosystems InitativeMunich” (NIM) angehören, haben nun gezeigt, wie die Physik das Problem der zu kurzen Polymere gelöst haben könnte – und sind damit dem Geheimnis über den Ursprung des Lebens ein gutes Stück näher gekommen.

Die Forscher entwickelten zunächst ein theoretisches Modell. Hiermit konnten sie zeigen, dass ein einfaches Temperaturgefälle ausreicht, um die nötigen Bausteine aufzukonzentrieren und selektiv die Bildung von langen Polymeren zu ermöglichen. Dabei gingen sie von einem realistischen Urzeit-Szenario aus: Eine mit Meerwasser gefüllte Gesteinspore liegt in der Nähe einer Wärmequelle, wie zum Beispiel einer heißen Tiefseequelle. Auf diese Weise ist die zugewandte Seite der Pore deutlich wärmer als die andere. Das so entstandene Temperaturgefälle erzeugt eine kreisförmige Bewegung der Flüssigkeit zwischen der heißen und der kalten Seite. Zusätzlich drückt es die darin enthaltenen Biomoleküle zur kalten Seite durch einen Effekt, der Thermophorese genannt wird.

„Die Bewegung der Flüssigkeit und die Thermophoresekombinieren sich zu einer thermalen Falle, dielange Polymere besser akkumuliert als kurzeund somit ein chemisches Ungleichgewicht bewirkt“, erklärt Christof Mast, Erstautor der Studie. „Da die Polymerisierung der Ketten allerdings auch von ihrer lokalen Konzentration abhängt, erhöht die Falle die Wahrscheinlichkeit, dass diese langen Polymere immer länger werden. Beide Effekte verstärken sich überexponenziell.“

Dem Urozean abgeschaut

Dieses Modell konnten die Münchner Physiker auch durch Experimente belegen: Dabei stellten sie die Pore in Form einer feinen Glaskapillare nach und sorgten für einen Temperaturgradienten von zehn Kelvin. Dem Meerwasser entsprach eine einfache Salzlösung. Statt RNA-Nukleotiden setzten siekurze DNA-Abschnitte als Bausteine ein, die reversibel miteinander polymerisieren können. DNA anstelle von RNA wurde verwendet, weil entsprechend der langen Evolutionsdauer im Urozean die Bildung von ausreichend langen RNA-Polymeren selbst unter optimalen Laborbedingungen hunderte Jahre dauern würde. Da sich die Polymerisation von RNA und der Versuchs-DNA jedoch prinzipiell nicht voneinander unterscheiden, bestätigte dieser Versuchsansatz das theoretische Modell im gleichen Maße.

„Die Physik hinter einem einfachen Temperaturgradient in einer Pore reicht also aus, auch die Polymerisation von sehr langen RNA Polymeren zu ermöglichen“, fasst Professor Dieter Braun die Ergebnisse zusammen. „Durch diese Forschungsarbeit ist ein wichtiger Zwischenschritt für den Ursprung des Lebens erstmalig demonstriert.“ (Quelle: idw)

Publikation:
Escalation of Polymerization in a Thermal Gradient.Christof B. Mast, SeverinSchink, Ulrich Gerland and Dieter Braun. PNAS online 30. April 2013

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Physikprofessor Zeilinger schließt letztes Schlupfloch der spukhaften Fernwirkung

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor für Experimentalphysik der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der ÖAW, hat einen Versuch mit Photonen durchgeführt, bei dem nun ein wichtiges “Schlupfloch” geschlossen werden konnte.

Wenn wir einen Gegenstand beobachten, dann gehen wir davon aus, dass einerseits seine Eigenschaften schon vor der Beobachtung eindeutig feststehen und dass andererseits diese Eigenschaften unabhängig sind vom Zustand anderer, weit entfernter Objekte. Für Gegenstände unseres Alltags ist dem auch so. Für Quantenobjekte hingegen treffen diese scheinbar selbstverständlichen Annahmen nicht ohne weiteres zu. In den vergangenen 30 Jahren haben zahlreiche Experimente gezeigt, dass das Verhalten von Quantenteilchen – wie Atome, Elektronen oder Photonen – in klarem Widerspruch mit obiger Wahrnehmung stehen kann. Jedoch haben diese Experimente nie über alle Zweifel erhabene Antworten geliefert. Stets war es im Prinzip möglich, dass die beobachteten Teilchen eine Schwäche des Experiments “ausgenützt” hatten. Ein Team um Physiker Anton Zeilinger hat nun einen Versuch mit Photonen durchgeführt und dabei ein wichtiges “Schlupfloch” geschlossen. Die ForscherInnen haben damit den bisher vollständigsten experimentellen Nachweis erbracht, dass und wie die Quantenwelt unserer Alltagserfahrung widerspricht.

Die Quantenphysik liefert ein extrem präzises und fundamentales Werkzeug, um die Welt um uns bis in kleinste Details zu verstehen. Sie ist aber auch Grundlage für die moderne Hochtechnologie: Halbleiter (und damit Computer), Laser, Magnetresonanztomographen und andere Geräte basieren auf quantenphysikalischen Effekten. Dies kann jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass nach mehr als einem Jahrhundert intensiver Forschung fundamentale Aspekte der Quantentheorie noch nicht vollkommen verstanden sind. Auch heute noch werden aus Laboratorien weltweit – jeder Intuition widersprechende Ergebnisse – gemeldet, die jedoch im Rahmen der Quantentheorie erklärt werden können.

Dem Rätsel der Quantenverschränkung auf der Spur

Die Wiener PhysikerInnen berichten nun aber nicht von einem neuen Effekt, sondern sind einem der grundlegendsten Phänomene der Quantenphysik, der sogenannten “Verschränkung”, tiefer auf den Grund gegangen. Die Konsequenzen der Quantenverschränkung sind verblüffend: Wenn man ein Quantenobjekt misst, das mit einem anderen verschränkt ist, dann, so sagt die Quantentheorie, ist der Zustand eines Teilchens von der Messung, die an dem anderen durchgeführt wird, abhängig. Dies ist auch der Fall, wenn die beiden Teilchen so weit voneinander entfernt sind, dass sie selbst im Prinzip nicht miteinander kommunizieren können (die Kommunikationsgeschwindigkeit ist grundlegend durch die Lichtgeschwindigkeit beschränkt). Eine große Aufgabe ist es, die Vorhersage der gegenseitigen Beeinflussung verschränkter Quantenteilchen in realen Experimenten zu testen.

Auf dem Weg zu einer abschließenden Antwort

Anton Zeilinger und den jungen WissenschafterInnen Marissa Giustina, Alexandra Mech, Rupert Ursin, Sven Ramelow und Bernhard Wittmann ist in einer internationalen Kooperation mit dem National Institute of Standards and Technology (USA), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (Deutschland) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Deutschland) ein wichtiger Schritt gelungen, um einen endgültigen experimentellen Beweis zu erbringen, dass Quantenteilchen in der Tat mehr können als die klassische Physik ihnen erlaubt. Technologische Verbesserungen gemeinsam mit einem geeigneten Aufnahmeprotokoll ermöglichten den Forschenden, verschränkte Photonen mit einer bisher nicht dagewesenen Effizienz zu detektieren. “Die erzeugten Photonen können sich nicht mehr davor drücken, gemessen zu werden”, bringt es Zeilinger auf den Punkt.

Diese engmaschige Überwachung der Photonen ist wichtig, weil damit ein wesentliches “Schlupfloch” geschlossen wird. Bei bisherigen Experimenten dieser Art blieb stets die Möglichkeit offen, dass die gemessenen Lichtteilchen zwar die Gesetze der klassischen Physik verletzt hatten, dies aber nicht der Fall gewesen wäre, wenn alle im Experiment involvierten Teilchen hätten gemessen werden können. Diese Möglichkeit wird in dem neuen Experiment ausgeschlossen. “Viele Wissenschaftler haben sich bis jetzt gescheut, Experimente mit Photonen durchzuführen, weil diese zu einfach verloren gehen – genau dieses Problem haben wir jetzt im Griff”, erklärt Marissa Giustina, Erstautorin der aktuellen Publikation.

Noch ein Schritt zum krönenden Abschluss

Mit dem neuen Experiment von Marissa Guistina und ihren KollegInnen sind Photonen die ersten Quantenteilchen, für die – zwar nicht in einem einzigen, aber – in mehreren separaten Experimenten jede mögliche Hintertür geschlossen wurde. Die Krönung wäre jedoch noch ein einziges Experiment, in welchem den Photonen durch Mittel der klassischen Physik sämtliche mögliche Wege versperrt werden würde. Ein solches Experiment wäre auch für eine wichtige praktische Anwendung von grundlegender Bedeutung: Die sogenannte Quantenkryptographie beruht auf quantenmechanischen Prinzipien und gilt als absolut abhörsicher. Ein Lauschangriff ist aber im Prinzip möglich, solange “Schlupflöcher” bestehen. Nur wenn diese geschlossen sind, ist ein vollkommen sicherer Austausch von Nachrichten möglich.

“Ein Experiment ohne jedes Schlupfloch”, sagt Zeilinger, “ist eine große Herausforderung. Daran arbeiten einige Gruppen weltweit.” Diese Experimente werden nicht nur mit Photonen versucht, sondern auch mit Atomen, Elektronen und anderen Systemen, die quantenmechanisches Verhalten an den Tag legen. Das Experiment der Wiener PhysikerInnen zeigt aber deutlich das Potenzial, das in Photonen steckt, auf. Dank diesen Fortschritten gehen dem Photon die “Schlupfwinkel” aus und die PhysikerInnen sind näher denn je an einem Experiment, das belegt, dass die Quantenphysik wirklich so sehr gegen unsere Intuition und Alltagserfahrung verstößt, wie dies die Forschungsarbeiten der vergangenen Jahrzehnte nahelegen. (Quelle: idw).

Publikation
Bell violation using entangled photons without the fair-sampling assumption: Marissa Giustina, Alexandra Mech, Sven Ramelow, Bernhard Wittmann, Johannes Kofler, Jörn Beyer, Adriana Lita, Brice Calkins, Thomas Gerrits, Sae Woo Nam, Rupert Ursin, Anton Zeilinger. In: Nature (Advance Online Publication/AOP). April 14, 2013. DOI: 10.1038/nature12012

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Ehernes Gesetz der Quantenphysik ausgetrickst

 

Blick in eine Ionenfalle Foto: C. Lackner/IQOQI
Blick in eine Ionenfalle
Foto: C. Lackner/IQOQI

Was nach den Regeln der Quantentheorie scheinbar nicht erlaubt ist, haben Physiker der Universität Innsbruck nun im Labor realisiert. Im Prototypen eines Quantencomputers konnte ein Team um Philipp Schindler, Thomas Monz und Rainer Blatt eine Quantenmessung vollständig rückgängig machen. Der Trick gelang ihnen mit Hilfe eines Rechenschemas für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern.

Schon Generationen von Physikern beschäftigten sich mit Messungen in quantenmechanischen Systemen. Grund dafür sind deren nur schwer begreifliche Eigenschaften. „So ist eine Messung in der Quantenwelt nicht deterministisch“, sagt Philipp Schindler vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. „Auch wenn man den Zustand eines Quantenobjekts sehr genau kennt, lässt sich das Ergebnis einer Messung nicht vorhersagen.“ Wird ein Quantensystem aber gemessen, so ändert sich dadurch auch der Zustand des Systems. So liefert eine wiederholte Messung mit Sicherheit immer das gleiche Ergebnis. „Eine Messung verändert also das System unwiderruflich“, ergänzt Thomas Monz. In einem Prototypen eines Quantencomputers haben Physiker der Universität Innsbruck um Rainer Blatt nun mit Hilfe eines Fehlerkorrektur-Algorithmus eine Messung wieder rückgängig gemacht.

Auf den ersten Blick widerspricht dies den Grundlagen der Quantenmechanik, die genau das explizit verbietet. Bei genauerer Betrachtung löst sich der Widerspruch aber auf: Quanteninformation kann zum Beispiel in einem Teilchen als Überlagerung von zwei Zuständen („null“ und „eins“) gespeichert werden. Durch eine Messung wird dieses Quantenbit entweder auf „null“ oder „eins“ gesetzt und die Information aus der Überlagerung geht verloren. Durch quantenmechanische Verschränkung mehrerer Teilchen, lässt sich aber die Quanteninformation eines Teilchens auch auf mehrere Teilchen verteilen. Genau dies machen die Physiker im Labor der Universität Innsbruck. „Wir verteilen mit dem Fehlerkorrektur-Algorithmus die Quanteninformation eines einzelnen Teilchens auf drei Teilchen in einem Quantenregister. Die Messung erfolgt nur auf einem der drei Teilchen“, sagen Schindler und Monz. „Der Korrektur-Algorithmus ist dann in der Lage, die Information des gemessenen Teilchen mithilfe der zwei verbleibenden Teilchen zu rekonstruieren.“ Damit machen die Tiroler Physiker ihre Messung an dem einen Teilchen wieder rückgängig und umgehen so ein ehernes Gesetz der Quantenphysik.

Quelle: idw
Publikation: Undoing a quantum measurement. Philipp Schindler, Thomas Monz, Daniel Nigg, Julio T. Barreiro, Esteban A. Martinez, Matthias F. Brandl, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt. Physical Review Letters 110, 070403 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.070403

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