Radio hören mit Quanten

27. März 2019, 12:12 Uhr
Mit diesem Quantenchip (1x1 cm2) können die Forscher das schwächste Funksignal hören, das die Quantenmechanik erlaubt (Foto: TU Delft).
Mit diesem Quantenchip (1x1 cm2) können die Forscher das schwächste Funksignal hören, das die Quantenmechanik erlaubt (Foto: TU Delft).

Forscher der TU Delft haben eine Quantenschaltung entwickelt, mit der sie die schwächsten Funksignale hören können, die die Quantenmechanik erlaubt. Diese neue Quantenschaltung kann in zukünftigen Anwendungen zum Beispiel in der Radioastronomie und der Medizin (MRI) eingesetzt werden. Sie ermöglicht den Forschern auch Experimente zur Wechselwirkung zwischen Quantenmechanik und Gravitation.
 
Jeder hat sich schon einmal über schwache Funksignale geärgert. Unser Lieblingslied im Auto geht im Lärm unter oder wir sind zu weit vom WLAN-Router entfernt, um unsere E-Mails zu checken. Die übliche Lösung besteht darin, das Signal zu „verstärken“, zum Beispiel durch die Wahl eines anderen Radiosenders oder indem wir in einen Raum gehen, der näher am Router liegt. Aber wie wäre es, wenn wir einfach besser zuhörten?

Quantensprung

Schwache Radiosignale sind nicht nur eine Herausforderung für Menschen, die versuchen, ihren Lieblingsradiosender zu finden, sondern auch für Krankenhaus-MRT-Scanner und die Radioteleskope, mit denen Wissenschaftler Signale aus dem All erfassen.
Ein „Quantensprung“ auf dem Gebiet der Signaldetektion ist jetzt der Forschungsgruppe von Professor Gary Steele in Delft gelungen: Sie konnte den Nachweis von Photonen oder „Energiequanten“ als schwächste Signale, die die Theorie der Quantenmechanik zulässt, demonstrieren.

Energieeinheiten

Eine der seltsamen Vorhersagen der Quantenmechanik ist, dass Energieübertragung nicht kontinuierlich, sondern in kleinen „Stückchen“, in Einheiten stattfindet. Diese Einheiten werden als „Quanten“ bezeichnet. Was bedeutet das? „Stellen Sie sich vor, ich schiebe ein Kind auf einer Schaukel an“, erläutert der leitende Wissenschaftler Mario Gely. „Wenn ich will, dass das Kind etwas schneller schaukelt, kann ich ihm nach der klassischen Physik einen kleinen Schubs in den Rücken geben, der ihm etwas mehr Geschwindigkeit und Energie verleiht. Aber die Quantenmechanik sagt etwas anderes: Ich kann die Energie des Kindes zu einem bestimmten Zeitpunkt nur um einen „Quantenschritt“ erhöhen, nicht aber um beispielsweise die Hälfte dieses Quantums.
Für das Kind auf der Schaukel sind diese „Quantenschritte“ zu klein, als dass es sie bemerken würde. Und bis vor kurzem galt das Gleiche für Funkwellen. Das Delfter Forschungsteam hat nun jedoch eine „Quantenschaltung“ entwickelt, die tatsächlich diese Energiequanten in Funksignalen erkennen kann. Und damit ist es möglich, Funkwellen auf Quantenebene zu erfassen.

Quantengravitation?

Abgesehen von den Anwendungen der Quantendetektion wollen die Forscher nun auch die Quantenmechanik einen Schritt voranbringen und die Masse mit einbeziehen. Denn obwohl die Theorie der Quantenmechanik vor fast 100 Jahren entwickelt wurde, wissen die Physiker heute immer noch nicht, wie man die Gravitation mit der Quantenmechanik kombiniert.
„Mit Hilfe unseres Quantenradios wollen wir Quantenschwingungen von schweren Objekten hören und steuern, so dass wir experimentell untersuchen können, was passiert, wenn man Quantenmechanik und Gravitation mischt“, sagt Gely. „Solche Experimente sind sehr kompliziert, aber wenn sie erfolgreich sind, könnten wir versuchen, eine Quantensuposition der Raumzeit zu erreichen. Das wäre ein völlig neues Konzept unseres Verständnisses von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie.
 
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.
 
Quelle: TU Delft

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