Link zum MPI

Dr. Olivia Meyer-Streng
Telefon:+49 89 32905-213Fax:+49 89 32905-200

Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching

Auf den Punkt gebracht

● Einzelne Atome in einem Resonator ermöglichen Einsichten in das Verhalten einzelner Quantenteilchen, während die sonst üblichen Experimente mit vielen Atomen nur Aussagen über Durchschnittseigenschaften erlauben.

● In einem Atom zwischen zwei Spiegeln lässt sich Information speichern und auch gezielt wieder auslesen; zudem lässt sich die Information von einem Atom auf ein Bose-Einstein-Kondensat übertragen und dort zwischenspeichern.

● Die Experimente schaffen die Voraussetzung, einzelne Atome in Resonatoren für die Quanteninformationstechnologie – etwa in einem Quanteninternet – einzusetzen.

● Wie groß Objekte höchstens sein können, damit sie sich wie Quantenobjekte ver halten und beispielsweise verschränken lassen, ist noch unklar. Ein Bose-Einstein-Kondensat aus einer Million Atomen lässt sich jedenfalls bereits mit einem Atom verschränken.

Das dressierte Atom

Das dressierte Atom

Einzelne Atome kann unsere Alltagserfahrung nicht erfassen: Selbst ein Tropfen Wasser oder ein Mikroorganismus bestehen aus unzähligen davon. Doch Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, untersucht an einzelnen Atomen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf elementarstem Niveau. Mit seinem Team schafft er so auch die Grundlagen eines künftigen Quanteninternets.
Spiegelkabinett für einzelne Atome: Der Blick in die Vakuumkammer zeigt etwa fünffach vergrößert zwei Spiegel, die hier mit einem roten Laser durchleuchtet werden. Im nur einen Viertel Millimeter breiten Spalt dazwischen hält Laserlicht einzelne Atome in der Schwebe. Bild vergrößern
Spiegelkabinett für einzelne Atome: Der Blick in die Vakuumkammer zeigt etwa fünffach vergrößert zwei Spiegel, die hier mit einem roten Laser durchleuchtet werden. Im nur einen Viertel Millimeter breiten Spalt dazwischen hält Laserlicht einzelne Atome in der Schwebe. [weniger]

TEXT ROLAND WENGENMAYR

Die Sonne lockt uns an diesem Mittag nach draußen. Wir sitzen vor der Cafeteria am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Gerhard Rempe genießt sichtlich die Campusatmosphäre. Vor allem das warme Sonnenlicht tut gut, und da sind wir schon mitten im Forschungsgebiet des Physikers. Damit wir die Szenerie um uns herum sehen können, müssen unsere Augen Licht empfangen. Unzählige Atome werden von den Sonnenstrahlen zum Aussenden von Licht angeregt, und einen Teil davon fangen Atome in den Netzhäuten unserer Augen ein.

„Die Wechselwirkung von Licht mit Materie ist für unsere Forschung ganz essenziell“, eröffnet Gerhard Rempe das intellektuelle Spiel, das uns Zug um Zug an die Grenzen der heutigen physikalischen Erkenntnis führen wird. Es wird um die Quantenwelt und ihre scheinbaren Verrücktheiten gehen. Wir werden über Schrödingers Katze diskutieren, über verschränkte Quantenzustände und die Frage, wie groß solche Quantenobjekte werden können. Uns wird auch beschäftigen, wie sich daraus zukünftige Quantennetzwerke und Quantencomputer konstruieren lassen.

In Rempes Abteilung machen junge Physiker unterschiedliche Versuche. Ein extremes Experiment zieht sich jedoch wie ein roter – besser gesagt – leuchtender Faden durch Rempes Forschung. Es besteht aus zwei nahezu perfekten Spiegeln, zwischen denen ein einziges Atom schwebt. „Das sind die besten Spiegel der Welt“, bemerkt der Max-Planck-Direktor. Die Garchinger Wissenschaftler animieren das Atom in seinem Spiegelkabinett dazu, ein einziges Lichtquant (Photon) entweder auszusenden oder aufzunehmen. Sie reduzieren also den Prozess, der in der mittäglichen Lichtflut milliardenfach abläuft, auf seinen elementaren Grundbaustein. Radikale Reduktion ist in der Experimentalphysik ein Schlüssel zu neuen Entdeckungen. Doch warum gerade ein Atom und ein Photon?

Gerhard Rempe veranschaulicht das Prinzip des optischen Resonators: Zwischen zwei Spiegeln wird Licht immer wieder hin und her geworfen, so dass die Wechselwirkung eines Photons mit einem einzelnen Atom erhöht wird. Bild vergrößern
Gerhard Rempe veranschaulicht das Prinzip des optischen Resonators: Zwischen zwei Spiegeln wird Licht immer wieder hin und her geworfen, so dass die Wechselwirkung eines Photons mit einem einzelnen Atom erhöht wird. [weniger]

An dieser scheinbar einfachen Anordnung könne man „sehr, sehr“ faszinierende Eigenschaften von Quantensystemen in Reinform erforschen, betont Gerhard Rempe: „Mit solchen kleinen Systemen kann man in Bereiche der Quantenphysik vordringen, die großen Systemen verschlossen sind.“ Experimente mit vielen Atomen geben immer nur Durchschnittseigenschaften großer Ensembles preis – so wie man eine einzelne Geige in einem Orchester nicht hören kann.

Einen solchen reinen „Klang“ wollen Physiker heute aber im übertragenen Sinn erkunden, wenn sie elementare Quantensysteme mit einem einzigen Atom erforschen. Auf diese Weise lernen sie, wie die Quantenbausteine der Natur funktionieren. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse bahnen auch den Weg zu einer zukünftigen Quanteninformationstechnologie.

Ein Kabinett mit zwei Superspiegeln

Mit ausgefeilten Experimenten können sie zudem das Spiel zwischen einzelnen Atomen und Photonen auf die Spitze treiben. „Und spielen wollen wir“, sagt Rempe, „nur so funktioniert Grundlagenforschung.“ Tatsächlich gelangen den Garchingern aufregende Beobachtungen auf dem fundamentalen Gebiet, das Max Planck und Albert Einstein vor mehr als hundert Jahren zu Entdeckern der Quantenwelt machte.

Ein einzelner Spiegel in seiner Halterung. Die nach innen gekrümmte Oberfläche mit einem Durchmesser von etwa 1,5 Millimetern reflektiert das infrarote Licht, mit dem die Atome angeregt werden, nahezu perfekt. Bild vergrößern
Ein einzelner Spiegel in seiner Halterung. Die nach innen gekrümmte Oberfläche mit einem Durchmesser von etwa 1,5 Millimetern reflektiert das infrarote Licht, mit dem die Atome angeregt werden, nahezu perfekt. [weniger]

Wie aber lässt man ein einziges Atom zwischen zwei Spiegeln schweben? Christian Nölleke, der als Doktorand in Rempes Abteilung arbeitet, erklärt das im Labor: „Erst erzeugen wir eine Wolke von bis zu einer Million Rubidiumatomen.“ Diese Atome fangen die Physiker mit einer magnetooptischen Falle – also mit Laserlicht und Magnetfeldern – und frieren ihre Bewegung weitgehend ein. Da Bewegung gleichbedeutend mit Temperatur ist, kühlt das die Wolke bis knapp über den absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius ab. Aus dieser ultrakalten Wolke kicken die Physiker dann mit einer Lichtpinzette Atome zwischen die Spiegel. Sobald eines im Resonatorzentrum angelangt ist, fängt die Elektronik es mit Licht ein. „Das dauert nur wenige Sekunden“, erklärt Nölleke.

Und warum sind die Spiegel so wichtig? Diese Frage ist für Gerhard Rempe wesentlich. „So ein Atom ist ja ganz klein“, erläutert er, „und wenn ich von irgendwoher draufleuchte, dann treffe ich es gar nicht mit meinen Photonen.“ Erst durch den Trick mit dem Kabinett aus zwei Superspiegeln lässt sich dieses Problem knacken. „Morgens im Bad sind wir ja schon einmal zu zweit mit unserem Spiegelbild“, sagt Rempe, „und wenn wir nun einen zweiten Spiegel hinter uns halten, werden daraus viele Spiegelbilder.“ Die perfekten Garchinger Spiegel könnten unglaubliche hunderttausend Spiegelbilder erzeugen, allerdings würde kein Kopf zwischen sie passen. Sie haben ungefähr hundert Mikrometer (millionstel Meter) Abstand.

 
loading content
Zur Redakteursansicht