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Licht und Materie mit Quanten steuern

Die Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf Quantenebene abzustimmen, ebnet den Weg zum Quantencomputer und zur Quantensensorik. EU-finanzierte Wissenschaftler haben nun den theoretischen Rahmen geschaffen, der eine realisierbare Umsetzung verspricht.
Licht und Materie mit Quanten steuern
Die Suche nach der vollständigen Kontrolle über den Quantenzustand kalter Atome und ihre Wechselwirkungen mit Photonen ist in die Vision über Ensemble-basierte Quanteninformationen und Quantenschnittstellen eingegangen. Diese Systeme haben das Potenzial gezeigt, die experimentelle Umsetzung der Informationsverarbeitung und Sensorik auf Grundlage quantenmechanischer Funktionen unterstützen zu können.

Diese fortgeschrittenen Anwendungen von Ensembles aus kalten Atomen erfordern jedoch technisch ausgereifte Systeme zum Einfangen (Trapping) und Kühlen sowie diagnostische Verfahren. In diesem Sinne riefen Wissenschaftler das EU-finanzierte Projekt AAPLQIC (Light-phonon quantum interface with atomic arrays in a cavity) ins Leben, um den theoretischen Rahmen für die Entwicklung von optischen Fallen weiterzuentwickeln, die in Kavitäten (Resonatoren) hoher Güter realisiert werden.

Die Forscher untersuchten die Möglichkeit des Einfangens von Ketten aus Atomen in optischen Kavitäten, die kleines Modenvolumen mit hoher Güte vereinen. Mit dem Problem der Kühlens eines einzelnen eingefangenen Teilchens in einem Hohlraum beschäftigte man sich sowohl theoretisch als auch experimentell. Es gab jedoch Probleme mit der Stabilität, wenn gleichzeitig viele, eine Anordnung bildende Teilchen gekühlt werden.

Die Wissenschaftler erreichten ihr ursprüngliches Ziel ausgehend vom Aufbau eines theoretischen Modells. Es beschrieb den allgemeinen Aufbau, bei dem das Potenzial der optischen Kavität und die Atomanordnungen verschiedene Periodizitäten aufweisen. Man fand heraus, dass die Inhomogenität der Fallen ein kritischer Faktor für die Sicherstellung der Kühlung aller Atome durch globale Kopplung mit dem Kavitätsmodus ist.

In seiner weiteren Arbeit erstellte das AAPLQIC-Team ein Protokoll, um die kollektive Bewegung der Atome in Zustände zu bringen, die für die Quantensensorik relevant sind. Insbesondere ist das Zusammenpressen der kollektiven Atombewegung von einer Quantenverschränkung zwischen den einzelnen Atomen begleitet. Das neue System gestattet es uns, den Grad des Zusammendrückens der Atombewegung hochgenau zu bestimmen.

Das versuchstechnische System, in dem eine neue Quantenlichtquelle implementiert wurde, bietet eine vielversprechende Plattform für quantentechnologische Anwendungen. Erste Resultate fanden bereits innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft Verbreitung. Das erworbene Wissen wird nun gleichermaßen unser Verständnis der quantenmechanischen Wirkungen von Licht auf Atome bei niedrigen Temperaturen vertiefen.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Quantencomputing, Quantencomputer, Quantum Computing, Ensembles aus kalten Atomen, optische Fallen, Quantenmessung, Quantensensorik, Quantenverschränkung
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