Deutsche Forschung bringt uns einen Schritt näher zum Quantencomputer
Ein EU-finanziertes Forscherteam vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland liefert neue Erkenntnisse über die Manipulation von Atomen und hat damit wichtige Schritte auf dem Weg zu großangelegten Quantenrechnern und bei der Simulation von Systemen kondensierter Materie gemacht. Die Ergebnisse Ihrer Studie stellen sie in der Fachzeitschrift Nature vor. Unterstützt wurde die Forschung durch die Projekte AQUTE ("Atomic quantum technologies") und NAME-QUAM ("Nanodesigning of atomic and molecular quantum matter"), die beide unter dem Themenbereich "Informations- und Kommunikationstechnologien" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) finanziert werden. Weitere EU-Mittel kamen von zwei Marie-Curie-Stipendien an Mitglieder des Forschungsteams. Mithilfe eines Laserstrahls konnten die Wissenschaftler einzelne Atome in einem Lichtgitter ansprechen und ihren Spin-Zustand ändern. Dabei gelang es ihnen, die vollständige Kontrolle über einzelne Atome zu übernehmen und beliebige zweidimensionale Muster zu "schreiben". Die lasergekühlten Rubidium-Atome wurden in einen künstlichen Kristall aus Licht geladen, der durch die Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erzeugt wurde. Die Atome werden dann im sogenannten Lichtgitter festgehalten - ähnlich wie Murmeln in den Vertiefungen eines Eierkartons. Der Laserstrahl deformiert die Elektronenhülle eines Atoms leicht und verändert damit die Energiedifferenz zwischen seinen beiden Spin-Zuständen. Die Forscher nutzten die Vielseitigkeit von ultrakalten Atomen in optischen Gittern aus, um so ein hohes Maß an Kontrolle in das Experiment zu bringen. Die Wissenschaftler demonstrierten, wie eine solche Kontrolle auf der elementaren Ebene eines einzelnen Spins an einem bestimmten Ort eines optischen Gitters umgesetzt werden kann. Ausgehend von einer Anordnung von 16 Atomen, die auf benachbarten Gitterplätzen wie an einer Perlenschnur aneinandergereiht waren, untersuchten sie, was passiert, wenn die Höhe des Gitters soweit heruntergefahren wird, dass die Teilchen nach den Regeln der Quantenmechanik "tunneln" dürfen. Die Ergebnisse zeigen, dass sie von einem Gitterplatz zum nächsten gelangen, auch wenn ihre Energie nicht ausreicht, um die Barriere zwischen den Gittertöpfchen zu überspringen. Durch Aufreihen der Atome auf einer Linie konnten sie deren Tunneldynamik in einem "Wettrennen" der Atome direkt beobachten. "Sobald die Gitterhöhe den Punkt erreicht hat, an dem das Tunneln möglich ist, laufen die Teilchen los, wie bei einem Pferderennen", beschreibt der Forscher Christof Weitenberg. "Indem wir zu verschiedenen Zeiten nach dem 'Startschuss' Schnappschüsse von den Atomen im Gitter machten, konnten wir den quantenmechanischen Tunneleffekt erstmals direkt an einzelnen massiven Teilchen in einem Gitter beobachten." Diese Forschung baut auf früheren Arbeiten des Teams auf. Vor einigen Monaten zeigte es bereits, dass sich in dem Lichtgitter jeder Platz mit genau einem Atom besetzen lässt. Nun ist es den Forschern gelungen, jedes Atom in dem Gitter einzeln anzusprechen und seinen jeweiligen Energiezustand zu ändern. "Wir haben gezeigt, dass wir einzelne Atome gezielt speichern und adressieren können. Damit das Atom als Quantenbit taugt, müssen wir auch noch kohärente Überlagerungen seiner beiden Spin-Zustände erzeugen können", erklärt Forscher Stefan Kuhr. "Erst dann lassen sich z.B. elementare Logikoperationen zwischen zwei bestimmten Atomen im Gitter, sogenannte Quantengatter, realisieren." Das übergeordnete Ziel des AQUTE-Projekts besteht in der Entwicklung von Quantentechnologien auf der Basis von atomaren, molekularen und optischen (AMO) Systemen, sowohl für skalierbare Quantencomputer als auch für verschränkungsfähige Technologien wie Metrologie und Sensorik. Außerdem sollen neue interdisziplinäre Verbindungen auf Grundlagen der AMO-Physik geschaffen und ausgenutzt werden. Mit einem ähnlichen Ansatz untersucht das NAME-QUAM-Projekt Technologien mit ultrakalter Atom-/Molekül-Quantenmaterie für Quanteninformationsverarbeitung. Ziel dabei ist die Entwicklung neuartiger Techniken für Quanten-Engineering und Quanten-Kontrolle von ultrakalten Atomen und Molekülen in periodischen Nanostrukturen.Weitere Informationen unter: Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ: http://www.quantum-munich.de
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