18.02.2022 - University of Warsaw

Eine nützliche Anwendung für einen Quantenprozessor: Die Verbesserung von Spektroskopiemessungen

Gerät kann reale Probleme lösen, die mit Standardprozessoren nicht gelöst werden können

Forscher der Universität Warschau haben den ersten Quantenprozessor in Polen gebaut und setzen ihn für die Spektroskopie ein. Sie haben gezeigt, wie die Quanteninformationsverarbeitung effizient Informationen über die im Licht verborgene Materie liefern kann.

Vor einigen Jahren haben Physiker des Zentrums für optische Quantentechnologien und der Fakultät für Physik der Universität Warschau den ersten Quantenspeicher in Polen entworfen und gebaut, der zu einem Quantenprozessor weiterentwickelt wurde.

"Unser Prozessor basiert auf einer Wolke aus kalten Atomen. Sie können Informationen aus Licht effizient speichern und verarbeiten", beschreibt Dr. Michal Parniak, Leiter des Labors für quantenoptische Geräte.

In einem kürzlich in "Nature Communications" veröffentlichten Artikel zeigen die Doktoranden Mateusz Mazelanik und Adam Leszczynski zusammen mit Dr. Michal Parniak, dass das Gerät reale Probleme lösen kann, die mit Standardprozessoren nicht gelöst werden können; es kann als Teil eines Superauflösungsspektrometers verwendet werden.

"Wir quetschen so viele Informationen wie möglich aus den einzelnen Photonen heraus, so dass die Messung sehr effizient wird", kommentiert Erstautor Mateusz Mazelanik.

Das Licht, das von verschiedenen Objekten zu uns kommt, enthält viele Informationen, zum Beispiel über die Materie, aus der diese Objekte gemacht sind. Diese Informationen sind im Lichtspektrum sichtbar (man kann das Spektrum sehen, wenn das Licht in einem Prisma gestreut wird).

Das Licht, das uns von einem weit entfernten Stern erreicht, gibt Aufschluss über die Elemente, aus denen der Stern besteht (so wissen wir, woraus Sterne in anderen Galaxien bestehen). Wenn wir Licht durch eine Lösung oder eine Substanz leiten, können wir feststellen, woraus sie besteht, d. h. ob sie Giftstoffe enthält. Die Wissenschaft, die sich mit dem Sammeln und Analysieren dieser Art von Informationen befasst, wird als Spektroskopie (auch Spektrometrie genannt) bezeichnet. Dieses wissenschaftliche Gebiet wird täglich von Biologen, Physikern, Astronomen, Chemikern und Medizinern genutzt.

Die Spektroskopie unterliegt jedoch einer erheblichen Einschränkung, der so genannten Rayleigh-Grenze, die besagt, dass die Informationen aus dem Licht nicht mit unendlicher Genauigkeit gewonnen werden können. Einige der Signale des Spektrums, die so genannten Spektrallinien, können so ähnlich sein, dass herkömmliche optische Spektrometer sie nicht voneinander unterscheiden können.

"Unser Gerät und unser Algorithmus ermöglichen es uns nicht nur, Informationen aus dem Licht effizienter zu sammeln, sondern könnten auch das "Einpauken" von Informationen in das Licht verbessern", sagt Dr. Parniak. Er merkt an, dass diese Idee auch in der Telekommunikation eingesetzt werden könnte, wo eine effizientere Datenspeicherung und -verarbeitung in Licht unerlässlich wird.

Obwohl es bereits Versuche gab, die Grenzen der Spektroskopie zu umgehen, haben die Forscher der Universität Warschau gezeigt, wie dies auf völlig unkonventionelle Weise geschehen kann - mit Hilfe von Lösungen aus der Quanteninformationswissenschaft. Denn wo die klassische Physik überfordert ist, bietet die Quantenphysik manchmal ein ganzes Spektrum an Möglichkeiten.

Physiker der Universität Warschau haben ein Gerät gebaut, das eine hohe Auflösung in der Spektroskopie (15 kHz oder vierzig Teile pro Billion) erreichen kann, indem es eine kleine Menge Licht von einem bestimmten Objekt verwendet. "Unser Spektrometer übertrifft die klassische Grenze, indem es zwanzigmal weniger Photonen benötigt als ein hypothetisches herkömmliches Spektrometer", sagt Mateusz Mazelanik, "aber das ist eine bemerkenswerte Leistung, denn ein klassisches Gerät mit einer ähnlichen Auflösung gibt es nicht."

Der an der Universität Warschau gebaute Prozessor nutzt eine Wolke von mehreren Milliarden gekühlten Rubidiumatomen, die sich in einem Vakuumfeld befinden, um Berechnungen durchzuführen (die Atome sind mit bloßem Auge sichtbar - auf dem Foto ein roter Punkt in der violetten Glaskammer auf der linken Seite des Geräts).

Bringt man die Atome in ein Magnetfeld und beleuchtet sie mit einem Laser, können sie so gesteuert werden, dass sie bestimmte logische Operationen ausführen, z. B. Informationen über das Spektrum des Lichts verarbeiten, mit dem sie beleuchtet werden.

Bei den Berechnungen werden Quanteneffekte genutzt, so dass die Berechnungen in der "kalten Atomwolke" nicht die herkömmlichen binären Berechnungen ersetzen, sondern eine neue Qualitätsstufe hinzufügen.

"Wir hatten die Idee, wie ein Quantenprozessor zur Lösung bestimmter Probleme in der Spektroskopie eingesetzt werden könnte", sagt Dr. Michal Parniak. Und er betont, dass es bis zu diesem Zeitpunkt überhaupt nicht naheliegend war, praktische Anwendungen für Quantenprozessoren zu finden und Geräte wie diese mit einzigartigen Lösungen zu entwerfen.

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