Quanten-Tunnelbau ist absolut verrückt, hier ist, was Sie wissen müssen

Die Quantenwelt ist gerade noch viel verrückter geworden.

Teleportation Quanten Tunnelbau
Wird Quanten-Tunnelbau irgendwann möglich sein?

Für Uneingeweihte ist die Quantenphysik ein Wissenschaftszweig, der die Teilchen, aus denen die Materie besteht, und die Kräfte, mit denen sie wechselwirken, beschreibt. Wenn wir etwas über die Quantenwelt gelernt haben, dann das: Die Quantenwelt ist seltsam. In einem unvorstellbar kleinen Maßstab verhalten sich die Dinge nicht intuitiv. Physiker mögen einiges von der Mathematik hinter der Quantenphysik gut begreifen, aber diese Mathematik kann manchmal auf Dinge hinweisen, die sie am Kopf kratzen lassen.

Niels Bohr sagte einmal, dass „diejenigen, die nicht schockiert sind, wenn sie zum ersten Mal auf die Quantentheorie stoßen, diese unmöglich verstanden haben können“.

In der Quantenwelt kann es möglich sein, dass verschränkte Teilchen schneller als Licht kommunizieren, dass winzige Teilchen an mehreren Orten gleichzeitig existieren, dass Teilchen zufällig ein- und ausgehen und dass einige Teilchen wie Geister durch Wände „teleportiert“ werden können. Ja, die Quantenwelt ist seltsam. Wie Sie vielleicht schon vermutet haben, werden wir uns hier auf das letzte Beispiel konzentrieren, einen Prozess, der Quantentunnelung genannt wird.

In seiner grundlegendsten und verständlichsten Erklärung ist Quantentunneling das mechanische Phänomen, bei dem sich eine Wellenfunktion durch eine Potentialbarriere ausbreiten kann.

Stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Ball an die Wand. Er wird die Wand treffen und nach hinten abprallen. Wenn Sie ihn einen Hügel hinunterrollen lassen, bleibt er, wenn er den Boden erreicht, dort liegen. Aber auf der Quantenskala werden Teilchen gelegentlich durch die Wand springen, anstatt „zurückzuspringen“. Auch wenn es wie eine Verschwörung aus Marvel’s Avengers erscheinen mag, wurde dieses Phänomen bereits 1928 bemerkt, als zwei Physiker in Nature schrieben, dass Teilchen manchmal „durch den Berg zu schlüpfen und aus dem Tal zu entkommen scheinen“.

Ihre Barriere ist hier nichts wert

Stellen Sie sich vor, dass Sie und Ihre kleine Schwester es mit Nerf Guns ausfechten. Dabei schießen Sie von verschiedenen Seiten des Raumes aufeinander. Ihre Schwester sitzt zwischen einer kleinen, behelfsmäßigen Kissen-„Wand“, die ein paar Meter hoch und ein paar Meter breit ist, während Sie Ihre Rivalin Nemesis MXVII ständig auf sie schießen. Da dies die Quantenwelt ist, haben Sie Millionen von Schuss in Ihrer Waffe geladen. In unserem Fall werden 99,999% Ihrer Nerf-Geschosse von der Wand abprallen. Ein sehr kleiner Prozentsatz wird sich jedoch auf die andere Seite der Wand „teleportieren“ und die letzten Schüsse auf Ihre Schwester abfeuern.

Wie sind Ihre Nerf-Pellets auf magische Weise auf der anderen Seite der Behelfsmauer erschienen? Das haben Sie dem Quantentunneling zu verdanken. Hier beginnt unsere Geschichte.

Partikel haben die Chance, durch den Berg zu schlüpfen und aus dem Tal zu entkommen.

Seit der ersten Veröffentlichung der Arbeit über die Idee des Quanten tunnelns im Jahr 1928 sind Forscher begierig darauf, mehr über dieses Phänomen zu erfahren, zu verstehen, wie es funktioniert, und eine direkte Antwort auf die uralte Frage zu erhalten, wie schnell das „Tunneln“ stattfindet.

Das Tunneln selbst ist eine gute Erinnerung daran, wie sich seltsame Teilchen auf der Quantenebene verhalten können. Beim Quantentunneling kann ein subatomares Teilchen auf der gegenüberliegenden Seite einer Barriere erscheinen, die es nicht durchdringen können sollte.

Angenommen, Sie würden ein subatomares Teilchen, wie ein Elektron oder Proton, in einen Raum auf einer Seite eines potenziellen Energiehügels freisetzen. Das Teilchen hat nicht die Energie, um es über den Hügel zu schaffen, also sind Sie zuversichtlich, dass das Teilchen an Ort und Stelle bleiben wird. Nichtsdestotrotz ist das Teilchen plötzlich verschwunden. Wie in der obigen Abbildung sehen Sie, dass das Teilchen, sobald Sie auf die andere Seite des Hügels gehen, es irgendwie über unseren Hügel geschafft hat. Partikel, die einen Tunnel durchqueren, können sich durch Barrieren wie diese schleichen, und es könnte häufiger vorkommen, als Sie denken.

Tatsächlich kann Quanten-Tunneling für so fundamentale Prozesse wie die Photosynthese von wesentlicher Bedeutung sein. Nachdem sie das Quantentunneln entdeckt hatten, erkannten die Physiker, dass es tatsächlich viele Rätsel löste. Es erklärte verschiedene chemische Bindungen und radioaktive Zerfälle und wie die Wasserstoffkerne in der Sonne ihre gegenseitige Abstoßung überwinden und verschmelzen und so Sonnenlicht erzeugen können.

Halbleiter, Transistoren und Dioden würden ohne sie nicht funktionieren. Und natürlich gehört zum Quantencomputing auch das Tunneln. Es stellt sich heraus, dass Teilchen durch den Berg schlüpfen und ziemlich oft aus dem Tal entweichen.

Sie müssen einige der wichtigsten Ideen der Quantenphysik begreifen, bevor Sie in den Tunnelbau einsteigen können

Einer der signifikantesten Unterschiede zwischen der klassischen Physik und der Quantenphysik ist, dass die Quantenphysik probabilistisch ist. Gehen wir zurück zu unserem Beispiel der Teilchen- und Hügelbarriere. Wenn wir versuchen würden, einen Ball über den Hügel zu schieben, wüssten wir jederzeit genau, wo sich der Ball befindet. Da wir jedoch ein Teilchen verwenden, wissen wir es nicht. Im Gegensatz zu einem Ball können wir nicht genau wissen, wo sich ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet.

Sie können dem Heisenbergschen Unsicherheitsprinzip danken, dass es dies verdeutlicht hat. Es besagt, dass wir niemals sowohl die genaue Position als auch den Zeitpunkt eines subatomaren Teilchens kennen können. Interessanterweise hat das nichts mit einem Mangel an geeigneten Messinstrumenten zu tun. Das Heisenbergsche Unschärferelationsprinzip scheint ein fundamentaler Bestandteil der Natur der Wirklichkeit zu sein. Es gibt jedoch einige gute Nachrichten.

Wir sind in der Lage, die Wahrscheinlichkeit zu messen, wo sich ein Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet, und zwar in sehr hohem Maße. Quantenphysiker modellieren diese Wahrscheinlichkeiten mit Hilfe einer Wellenfunktion. Kurz gesagt, eine Wellenfunktion ist eine Beschreibung der Wahrscheinlichkeit, ein Objekt an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit zu finden.

Tunnel Effekt
Tunnel Effekt

Noch unter uns? Eine seltsame Eigenschaft von Wellen ist, dass sie selten anhalten, wenn sie auf etwas treffen. Denken Sie an den Schall. Die Schallwellen Ihrer Musik hören nicht auf, wenn sie mit festen Objekten in Berührung kommen. Deshalb hören sie auch dann nicht auf, wenn Ihre Tür verschlossen ist. Ihre Mitbewohner können Sie immer noch hören, wie Sie Kpop sprengen.

Oder, wenn dies einfach nicht der Fall wäre, würde das Sonnenlicht, das auf Ihr Zuhause trifft, einfach aufhören und Ihr Zuhause niemals erwärmen. Dasselbe passiert mit den Wellenformen, die zur Beschreibung von Quantenteilchen verwendet werden. Die Wellenfunktion eines Objekts kann sich bis in eine Barriere hinein oder sogar darüber hinaus erstrecken. Da diese Funktion die Wahrscheinlichkeit beschreibt, mit der ein Teilchen in einem bestimmten Raum landet, kommt es gelegentlich vor, dass dieses Teilchen auch auf der anderen Seite der Barriere landet. Macht das Sinn?

Könnten Sie durch Wände gehen?

Vielleicht theoretisch, aber höchstwahrscheinlich nicht. Obwohl dies eine kühle (und gefährliche) Macht sein könnte, ist die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht, ziemlich nahe Null. Jack Fraser, ein Absolvent der Physik an der Universität Oxford , stellte fest, dass „seit Beginn des Universums [vor 13,8 Milliarden Jahren] jede Sekunde eine Billion Menschen gegen Wände laufen könnten, eine Billion Mal pro Sekunde – und die Wahrscheinlichkeit, dass einer von ihnen durch die Wand läuft, ist immer noch so gering, dass sie [praktisch] gleich Null ist“. Warum? Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Objekt durch die Wand läuft, ist direkt mit der Masse des Objekts korreliert. Eine durchschnittliche Person wiegt etwa 70 kg; ein Elektron wiegt etwa 9×10-31 kg.

Aber wenn Sie das Gefühl haben, die Quantum Party zu verpassen, ist nicht alle Hoffnung verloren. Einige Forschungsarbeiten haben angedeutet, dass Quanten-Tunneling in unserem Körper stattfinden könnte, da die Enzyme, die für die Aktivierung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen verantwortlich sind, das Wasserstoff-Tunneling fördern könnten. Interessanterweise ist eines dieser Enzyme für die Umwandlung von Ethanol in Acetaldehyd verantwortlich, die Verbindung, die Kopfschmerzen, Schwindel und Übelkeit nach einer durchzechten Nacht verursacht. Vielleicht verpassen Sie also doch nicht die Quantenparty.

Wie schnell erfolgt das Quantentunneln?

Dies ist die nächste logische Frage. In den letzten Jahrzehnten war dies jedoch ein heiß debattiertes Thema, zusammen mit der Frage, was mit dem Teilchen passiert, wenn es sich durch die Barriere „bewegt“. Wie viele Dinge in der Quantenwelt sind die Antworten auf diese Fragen nicht einfach.

Forscher haben schon früher versucht, die Zeit zu messen, die ein Tunnelbau dauert, mit unterschiedlichen und oft fragwürdigen Ergebnissen, wobei einige argumentierten, dass das Ereignis möglicherweise sogar schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist. Doch gerade im vergangenen Jahr haben Wissenschaftler den Fall möglicherweise mit einem historischen, 20 Jahre langen Forschungsexperiment geknackt.

In der veröffentlichten Arbeit, die von Physikern des Quantum Information Science Program am Canadian Institute for Advanced Research geleitet wird, beschreiben die Forscher nicht nur, wie sie den Prozess gemessen haben, sondern auch die Anzahl, die sie erhalten haben. „Quantentunnelung ist eines der rätselhaftesten Quantenphänomene. Und es ist fantastisch, dass wir es jetzt tatsächlich auf diese Weise studieren können“, sagt Studien-Ko-Autor Aephraim Steinberg, Ko-Direktor des Quantum Information Science Program.

Wie haben sie das gemacht? Sie nutzten einige der grundlegendsten Prinzipien der Quantenphysik, um es möglich zu machen. In ihrem Experiment verwendeten sie 8.000 Rubidiumatome, die auf ein Milliardstel Grad über null Kelvin gekühlt wurden.

Die Atome mussten auf dieser Temperatur sein, sonst hätten sie sich zufällig mit hoher Geschwindigkeit bewegt, anstatt in einem kleinen Klumpen zu bleiben. Die kanadischen Physiker setzten einen Laser ein, um eine Barriere zu erzeugen, und fokussierten sie so, dass die Barriere 1,3 Mikrometer oder die Dicke von etwa 2.500 Rubidiumatomen betrug. Mit einem weiteren Laser drückte das Team die Rubidiumatome auf die Barriere zu und bewegte sie mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit von etwa 3,8 mm (0,15 Zoll) pro Sekunde. Die meisten Rubidiumatome prallten von der Barriere ab. Dank unseres alten Pal-Tunnels durchdrangen jedoch 3 % der Atome die Barriere und schafften es auf die andere Seite.

Die Wahl des Rubidiums war nicht zufällig. Es wurde verwendet, weil der Spin des Atoms durch Laser verändert werden kann. Je länger es dauerte, bis das Rubidium die Barriere durchtunnelt hatte, desto mehr änderte sich der Spin. Durch Messung der Spinachse eines Atoms vor und nach dem Eintritt in die Barriere konnten die Wissenschaftler feststellen, wie lange die Atome zum Tunneln brauchten. Wie lange dauerte also der Prozess? Im Durchschnitt 0,61 Millisekunden.

Das Ergebnis erwies sich als etwas verwirrend, da dies in der Quantenwelt relativ langsam ist, vor allem wenn man bedenkt, dass frühere Arbeiten darauf hindeuteten, dass der Tunnelbau augenblicklich stattfinden könnte. Unabhängig davon ist es ein weiteres eindrucksvolles Beispiel dafür, wie ein Ansatz, der helfen könnte, den Quantenbereich zu entmystifizieren. Die größte Erkenntnis ist, dass es möglich war, dieses Ereignis zu messen. „Wir arbeiten an einer neuen Messung, bei der wir die Barriere dicker machen und dann die Menge der Präzession in verschiedenen Tiefen bestimmen. Es wird sehr interessant sein zu sehen, ob die Geschwindigkeit der Atome konstant ist oder nicht“, sagt das Team.

Quanten-Tunneling ist zwar nicht so rätselhaft wie einige der weiter draußen liegenden Fälle, aber es ist ein wichtiger Teil der Natur unserer Welt und unseres Universums. Das Verständnis des Quanten-Tunnelns könnte uns helfen, die Entwicklung neuer Technologien wie Quantencomputer voranzutreiben. Es wird interessant sein, welche neuen Quantenphänomene wir testen können.