Heißes Wasser gefriert schneller als warmes. Nun wurde der inverse Mpemba-Effekt erstmals auch in einem Quantensystem beobachtet: Kalte Ionen werden schneller heiß als warme Ionen.
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Eine Person stapft mit einem Topf heißem Wasser durch eine schneebedeckte Landschaft. Man sieht heißen Dampf aufsteigen, während die Flüssigkeit langsam abkühlt. Und dann kommt das Unfassbare: Die Person schleudert den Topf in die Höhe, das Wasser wird noch oben befördert – und gefriert augenblicklich zu Eis. Solche beeindruckenden Videos findet man überall im Internet.
Die Forschenden nahmen sich dafür ein einzelnes Qubit vor, ein Quantensystem, das zwei verschiedene Zustände besitzt. Dafür wählten sie ein Strontium-88-Ion, das sie mittels elektromagnetischer Felder wie in einem Eierkarton einfingen. Durch geeignete Laserpulse können die Fachleute das Ion von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand bringen – das sind die beiden Zustände, die es zu seinem quantenmechanischen Bit, einem Qubit machen.
Für gewöhnlich bestimmt man die Temperatur eines Systems über ein Thermometer, das im Prinzip die Bewegung der Teilchen misst. Temperatur ist daher eine Größe, die mit vielen Partikeln assoziiert ist. Um die Temperatur eines einzelnen Atoms anzugeben, nutzten die Forschenden einen Trick: Sie untersuchten den Zustand des Ions, wenn sie es mit Photonen einer bestimmten Temperatur bestrahlten.
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