Coherent Control

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Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Coherent Control ist das Thema der gerade herausgekommenen 7. Ausgabe im 41. Band vom Journal of Physics B. Lesenswert ist hier zunächst das Editorial. Die Gast-Herausgeber, Helen Fielding, Moshe Shapiro und Thomas Baumert, beschreiben hier sehr schön die Methode und leiten so in diese Sonderausgabe ein.

Den Begriff Coherent Control lohnt es sich nicht zu übersetzen. Es kommt einfach kohärente Kontrolle heraus, was ist damit gemeint? Nun, die Wellenfunktion eines quantenmechanischen Systems entwickelt sich streng nach den Regeln, die die Schrödingergleichung vorgibt. Ihre Entwicklung ist deterministisch. Die Herausgeber weisen darauf hin, dass die quantenmechanische Entwicklung der Wellenfunktion viel stabiler ist, als die Bewegung eines klassischen Systems von Objekten. Während die zeitliche Entwicklung der Kugeln auf einem Billardtisch schon nach wenigen Kollisionen nicht mehr vorhersagbar ist, weil kleine Ungenauigkeiten im Anfangszustand große Unterschiede in der zukünftigen Konstallation bewirken, kann ein Quantensystem für alle Zukunft berechnet werden. Der Anfangszustand ist ein klar definierter Zustand, den man beliebig genau kennen kann.

Coherent Control ist nun also die kontrollierte Entwicklung eines Quantensystems mit Hilfe sorgfältig erzeugter Kräfte. Die Quantensysteme sind dabei Atome oder Moleküle und die Kräfte sind meist mit Lasern erzeugte Lichtwellen, manchmal unterstützt durch statische magnetische oder elektrische Felder.

Sieht man sich das Inhaltsverzeichnis dieser Sonderausgabe an, so findet man eine Vielzahl von interessanten Anwendungen: Moleküle können so ausgerichtet werden, dass ihre Atome in festgelegte Richtungen zeigen. Komplizierte organische Moleküle können durch speziell geformte Laserimpulse dazu gebracht werden, in gut definierte Bruchstücke zu zerfallen. Quantenmechanische Zustände können exakt vermessen werden.

Leider kann ich nicht auf alle Artikel eingehen. Ich möchte Sie ermutigen, ein Wenig im Inhaltsverzeichnis zu stöbern, was alles machbar ist. Auf Wunsch gehe ich gerne in einem späteren Blogeintrag näher auf eine Veröffentlichung dieser Ausgabe ein.

Joachim Schulz

Veröffentlicht von

www.quantenwelt.de/

Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

3 Kommentare

  1. Gedankenexperiment

    Mal eine “Verständnisfrage”…

    …an alle Quantenmechaniker hier im Forum…

    Es geht um das Mach-Zehnder-Interferometer wie in A. Zeilingers Buch “Einsteins Schleier” (Goldmann) auf S. 183 beschrieben.
    Allerdings zielt meine Frage auf eine “delayed-choice”-Modifikation dieses Experiments ab:

    1. Der von links in das Interferometer einfallende Lichtstrahl (Teilchenstrom) wird auf eine Achse (horizontal od. vertikal) polarisiert. Im oberen Arm des Interferometers befindet sich ein Polarisationsfilter im 45°-Winkel zu dieser gewählten Achse.
    Das würde bewirken, dass keine Interferenz mehr auftritt, da die Wege nun unterscheidbar sind.

    2. Bringt man nun vor den jeweiligen Detektoren am Ende der Interferometerarme jeweils ein Polarisationsfilter an, welches den Winkel des Filters im oberen Arm zu “verschleiern” vermag, so kann die Weginformation “ausgelöscht” werden und Interferenz findet wieder statt.

    3. Nun heißt es ja beim “delayed-choice”-Experiment immer, die Entscheidung, diese beiden Filter vor den Detektoren zu postieren, könne auch noch getroffen werden, nachdem die entsprechende Teilwelle das Interferometer bereits komplett durchlaufen hat.

    4. Was aber passiert, wenn die Detektoren einige Lichtjahre oder aber auch nur Lichtmillisekunden voneinander entfernt sind (mein Gedankenexperiment findet mit einem kontinuierlichem Teilchenstrom statt). Beide Filter sind nun vor den Detektoren mit entsprechendem Winkeln zur Auslöschung der Weginformation postiert. Durch plötzliches Verändern der Winkelstellung am Interferenzdetektor um 45° (also so, dass alle Photonen von diesem Filter geblockt werden, die über den unteren Arm an diesem Detektorfilter ankommen) kann ich für jedes Photon dort sagen, dass es den oberen Arm als Weg genommen haben muss. Damit würde aber die Interferenz – sofort – verschwinden und der einige Lichtjahre entfernte “Weg”-Detektor müsste instantan (mehr) Teilchen registrieren (die registrierte Teilchenmenge pro Zeiteinheit sollte sich also je nach Modifikation des Experimentes – instantan – ändern, womit eine überlichtschnelle Signalübertragung möglich wäre).

    5. Da dies aber laut spezieller Relativitätstheorie nicht möglich zu sein “scheint”, frage ich mich, wo hier der Denkfehler ist??

    Würde mich über eine Gegenprüfung meines Gedankenexperimentes durch euch sehr freuen!!

  2. Diskussionen

    Ich möchte nun doch nochmal darauf hinweisen, dass sich komplizierte Fragen wie die zum Interferometer viel besser in einem Diskussionsforum als in den Kommentaren zu einem Blog diskutieren lassen. Wir haben das Thema zum Beispiel kürzlich auf Quantenforum.de besprochen.

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