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Dr. Olivia Meyer-Streng
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Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching

Auf den Punkt gebracht

Auf den Punkt gebracht

● Die Eigenschaften vieler Quantensysteme, wie etwa der Hochtemperatursupraleiter, lassen sich mit herkömmlichen Computern nicht berechnen, weil deren Kapazität oft nicht ausreicht, um die komplexen Wechselwirkungen etwa in Festkörpern zu erfassen.

● Atome in optischen Gittern dienen als Quantensimulatoren, in denen sich komplexe Quantenphänomene unter kontrollierten Bedingungen studieren lassen und Modelle für reale Materialien überprüft werden können.

● In einem künstlichen Kristall lässt sich eine negative absolute Temperatur realisieren oder der Ladungstransport in Festkörpern untersuchen.

● Ein System aus Atomen im optischen Gitter gilt als ein Kandidat für einen universellen Quantencomputer.

Quantenzauber im künstlichen Kristall

Ein Quantenstift schreibt in den künstlichen Kristall

Die Schrift des Quantenstifts: Mit einem Laser regen die Garchinger Physiker in verschiedenen Mustern gezielt einzelne Atome des Quantengases im optischen Gitter an. Die angeregten Atome machen sie in einem hochauflösenden Mikroskop sichtbar. Bild vergrößern
Die Schrift des Quantenstifts: Mit einem Laser regen die Garchinger Physiker in verschiedenen Mustern gezielt einzelne Atome des Quantengases im optischen Gitter an. Die angeregten Atome machen sie in einem hochauflösenden Mikroskop sichtbar. [weniger]

Für manche Probleme ist Feynmans Vision vom Quantensimulator, der jeden Superrechner aussticht, also schon Realität. Und selbst einer noch ambitionierteren Vision könnten Atome in optischen Gittern auf die Sprünge helfen: dem Quantencomputer. Dabei handelt es sich im Gegensatz zum Quantensimulator, der bestimmte physikalische Probleme simuliert, um einen frei programmierbaren Rechner für verschiedene Aufgaben – auch für Alltagsprobleme wie das Durchsuchen riesiger Datenbanken. Er nutzt die Parallelexistenz verschiedener Möglichkeiten in der Quantenmechanik. Die erlaubt es im Prinzip, alle Lösungsmöglichkeiten für eine Aufgabe gleichzeitig zu testen und somit wesentlich schneller zum Ziel zu kommen als ein normaler Computer. Verschiedene Quantensysteme werden derzeit als vielversprechende Kandidaten für einen Quantencomputer gehandelt. Etwa aufgereihte Ionen oder supraleitende Leiterschleifen.

Das hohe Maß an Kontrolle, das die Garchinger Physiker über die Atome in optischen Gittern gewonnen haben, reiht auch dieses System unter die aussichtsreichen Kandidaten für einen Quantencomputer ein. Denn nur wer das Quantensystem beherrscht, kann es auch zum Rechnen nutzen. Das Garchinger Team hat bereits bewiesen, dass es Information mit einer Art Quantenstift gezielt in einzelne Atome hineinschreiben und wieder aus ihnen herauslesen kann, ähnlich wie sich auch jede Speicherzelle eines herkömmlichen Computers ansprechen lässt. Mit einem Laser haben die Forscher die Spins bestimmter Atome – der Spin entspricht, vereinfacht gesagt, dem Drehsinn eines Atoms – von der einen Richtung in die andere gedreht.

Neben der Fähigkeit, Information gezielt in die künstlichen Kristalle schreiben zu können, sieht Bloch noch einen Grund, warum sich das Quantengas im optischen Gitter als Quantencomputer eignet: die sogenannte Skalierbarkeit. Bislang gibt es lediglich rudimentäre Quantencomputer, die triviale Aufgaben lösen und etwa die Zahl 15 in ihre Primfaktoren 5 und 3 zerlegen. Für richtig harte Nüsse, beispielsweise um riesige Zahlen in Primzahlen zu zerlegen, wie es in der Verschlüsselungstechnik notwendig ist, reicht die Rechenkraft der einfachen Systeme nicht. Dafür müsste ein Quantencomputer aus Hunderten oder Tausenden miteinander zu einem Quantensystem verbundenen – verschränkten – Teilchen bestehen. Bislang gibt es aber nur Systeme mit einigen wenigen verschränkten Teilchen.

Sie auszubauen gilt als sehr schwierig, weil sich Quantensysteme desto schlechter kontrollieren lassen, je größer sie sind. Es fällt dann immer schwerer, das quantenmechanische Verhalten des Systems, das für die Rechnung benötigt wird, zu erhalten. „Bei uns dagegen wäre die Skalierbarkeit natürlich gegeben“, sagt Bloch. Dass die Physiker Tausende Atome im optischen Gitter kontrollieren können, haben sie schon bewiesen. Sehr viele Atome ließen sich im optischen Gitter relativ leicht über gegenseitige Stöße miteinander verschränken, betont Bloch. Es ist also denkbar, dass die optischen Gitter einmal zu so etwas wie den Prozessoren solcher Rechner werden.

Doch dahin ist der Weg noch weit – Experten erwarten einen Quantencomputer erst in mehreren Jahrzehnten. Das nahe Ziel von Blochs Team ist vielmehr, in ihrer künstlichen Materie weitere neue Phänomene zu entdecken und ungelöste Fragen der Festkörperphysik und aus anderen Bereichen der Physik zu beantworten.

Derzeit arbeiten die Physiker daran, die Atome im optischen Gitter dem realen Festkörper noch ähnlicher zu machen. Zwischen den Rubidiumatomen im optischen Gitter und den Elektronen im Festkörper gibt es nämlich einen fundamentalen Unterschied. Erstere gehören zur Teilchenklasse der Bosonen, Letztere zu der der Fermionen. Fermionen können im Gegensatz zu Bosonen nicht am gleichen Ort den gleichen Quantenzustand annehmen, verhalten sich im optischen Gitter aus diesem Grund anders. Blochs Team führt bereits erste Experimente mit fermionischen Kaliumatomen im optischen Gitter durch. Nun arbeitet es daran, Schnappschüsse auch von diesem Fermionensystem zu machen.

Darüber hinaus wollen die Forscher Moleküle in optischen Gittern untersuchen. Moleküle, die einen elektrischen Plus- und Minuspol haben, wechselwirken über mehrere Mulden im Eierkarton hinweg, was die elektrisch neutralen Atome nicht tun. „Wir erwarten davon weitere völlig neuartige Materiezustände“, sagt Immanuel Bloch. Auch künftig werden er und sein Team also überraschende Einsichten in den Quantenkosmos gewinnen.

GLOSSAR

Bosonen und Fermionen: Die Quantenmechanik teilt alle Teilchen, sowohl Elementarteilchen wie Elektronen als auch zusammengesetzte Teilchen wie Protonen oder Atome, in Bosonen und Fermionen ein. Bosonen eines Systems durfen identische Quantenzustände annehmen, Fermionen dürfen das nicht. Daher werden sie mathematisch unterschiedlich behandelt.

Optisches Gitter: Das optische Gitter hat in der Physik verschiedene Bedeutungen. Hier sind damit Laserstrahlen gemeint, die so überlagert werden, dass sich ihre elektromagnetischen Wellen in einem periodischen Muster verstärken und abschwächen. An den Stellen mit besonders hoher oder niedriger Intensität lassen sich Atome in mikroskopischen, laserpinzettenartigen Lichtfallen fangen.

Verschränkung: Quantenteilchen lassen sich, etwa durch spezielle Wechselwirkungen untereinander oder vermittelt durch Licht, miteinander verschränken. Die Teilchen sind dann bezogen auf eine Eigenschaft voneinander abhängig, egal wie weit sie sich räumlich voneinander entfernen. Bei zwei bezüglich der Schwingungsrichtung des Lichts verschränkten Photonen zum Beispiel legt eine entsprechende Messung an einem der Lichtteilchen augenblicklich auch die Schwingungsrichtung am zweiten Photon fest, ohne dass zwischen beiden ein Signal übertragen wird.

 
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