Die Illustration zeigt ein optisches Gitter, welches aus Mulden ähnlich einem Eierkarton besteht.

„In wenigen Jahren leistungsfähiger als Supercomputer“

Die Natur ist oft zu komplex, um sie in Computermodellen nachzubilden. Einen Ausweg bieten sogenannte Quantensimulatoren, die mit gut kontrollierbaren Teilchen wichtige Eigenschaften eines realen Systems imitieren und so helfen, dieses besser zu verstehen. Möglich sind solche Quantensimulationen unter anderem mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern. Über den aktuellen Stand dieser Technik berichten Forscher nun in einer Spezialausgabe des Fachjournals „Science”. Welt der Physik sprach mit Christian Groß vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik – einem der Autoren – über die geschickte Kontrolle von gefangenen ultrakalten Atomen.

Welt der Physik: In Ihrem Arbeitsgebiet beschäftigen Sie sich mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern. Was sind optische Gitter und wozu dienen sie?

Christian Groß: Optische Gitter bestehen aus geschickt angeordneten Laserstrahlen, mit denen sich einzelne Atome einfangen lassen. Das Lichtfeld dieser Laserstrahlen erzeugt ein elektromagnetisches Potenzial, das quasi wie ein Eierkarton geformt ist. In den Mulden dieses „optischen Kartons“ können wir dann Atome einfangen. Dabei hängt es vom Typ der Atome ab, ob sich in jeder Mulde nur ein bestimmtes Atom oder mehrere befinden können.

Das Bild zeigt den Forscher Christian Groß vor einem Fenster.
Christian Groß

Was machen Sie dann mit den gefangenen Atomen?

Unser Ziel ist es, die Atome möglichst nahe aneinander zu bringen und kontrolliert miteinander wechselwirken zu lassen. Die Kunst besteht darin, die Atome im optischen Gitter nahe genug aneinander zu bringen, sie gleichzeitig aber noch mit den externen, sehr scharf fokussierten Laserstrahlen manipulieren zu können. Wir befinden uns hier schon unterhalb der Wellenlänge der benutzten Lichtstrahlen – also eigentlich knapp unterhalb der Auflösungsgrenze. Das Ganze funktioniert dennoch, weil wir dank des optischen Gitters die möglichen Aufenthaltsorte genau kennen.

Wie kalt müssen die Atome für diese Experimente sein?

Die Atome in unseren Experimenten befinden sich nur ganz knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt – typischerweise wenige milliardstel Grad. Wir benötigen solche tiefe Temperaturen, damit sich die Atome praktisch überhaupt nicht mehr bewegen, sondern still in dem optischen Gitter sitzen, in das wir sie platzieren. Wären die Atome zu warm, würden sie im Gitter unkontrolliert hin- und herhüpfen.

Wie erreicht man überhaupt so tiefe Temperaturen?

Die Alkalimetallatome, mit denen wir arbeiten, kommen aus einem Ofen und sind zu Beginn rund 300 Grad Celsius heiß. Deshalb benötigen wir ein mehrstufiges Kühlverfahren. Zunächst sammeln wir die Atome und kühlen sie dann mit sogenannter Laserkühlung immer weiter herunter. Damit kommen wir schon richtig tief, auf einige millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Für unsere Zwecke ist das leider immer noch viel zu heiß. Tiefer kommt man mit der Laserkühlung leider nicht, denn bereits die wenigen Lichtteilchen, die auf ein Atom prallen, erhitzen dieses wieder zu stark. Deshalb nutzen wir ab diesem Zeitpunkt die sogenannte Verdampfungskühlung.

Wie funktioniert die Verdampfungskühlung?

Im Prinzip funktioniert dies wie bei der heißen Kaffeetasse, bei der man die heißen Moleküle am oberen Rand wegpustet und die kälteren übrigbleiben. Wenn man das lange genug macht und schließlich 99,9 Prozent der wärmsten Atome verdampft sind, verbleiben nur noch die allerkältesten bei einer Temperatur von wenigen milliardstel Grad über dem Nullpunkt.

Mit diesen ultrakalten Atomen führen Sie dann Experimente durch. Wie läuft das ab?

Die Kühlung und die Einstellung des Systems brauchen eine gewisse Zeit. Wir sind in den letzten Jahren da schon ein ganzes Stück weitergekommen und benötigen nur noch circa eine Minute für den gesamten Prozess. Wenn man allerdings die Dynamik des Systems bestimmen will und dazu Messung macht, muss man die ultrakalten Atome im optischen Gitter mit Licht bestrahlen. Dadurch bekommen die Atome so viel Energie, dass sie aus ihrer Falle herausfliegen. Mit der Messung ist das Experiment also beendet und man muss neu anfangen. Wir können etwa eine solche Simulation pro Minute durchführen. Aber damit können wir inzwischen schon eine Reihe interessanter Quantensysteme studieren.

Das Bild zeigt einen Teil des Experiments: Auf einem Labortisch sind unzählige optische Elemente, wie Spiegel und Strahlteiler, befestigt.
Experimenteller Aufbau

In Ihren Experimenten kommen sogenannte Quantengas-Mikroskope zum Einsatz. Was ist das Besondere daran?

Mit diesen Mikroskopen kann man die Atome in einem optischen Gitter sowohl beobachten als auch kontrollieren. Diese Mikroskope gibt es erst seit wenigen Jahren – für die Art von Teilchen, mit denen wir am Max-Planck-Institut für Quantenoptik arbeiten, sogar erst seit 2015. Im Prinzip ist es schon länger möglich, einzelne Atome optisch sichtbar zu machen. Mit Quantengas-Mikroskopen gelingt dies aber sogar für eine größere Anzahl von Atomen, für vielleicht hundert oder einige Hundert. Dann können wir mit unserem Quantengas-Mikroskop gezielt einzelne Atome entfernen oder ihre Eigenschaften wie den Spin – also ihr Drehmoment – gezielt einstellen. Auf diese Weise können wir Quantensysteme erzeugen, mit denen wir die Eigenschaften anderer, komplizierterer Quantensysteme simulieren können. Mit Quantengas-Mikroskopen lassen sich Modellsysteme studieren, bei deren Berechnung sogar Supercomputer an ihre Grenzen stoßen.

Ein besonders schwieriger Fall von Quantensystemen sind Supraleiter, die elektrischen Strom bereits bei höheren Temperaturen verlustfrei leiten. Was können Quantengas-Mikroskope zu deren Verständnis beitragen?

Das Interessante an unseren Mikroskopen ist, dass wir mit ihnen das sogenannte Fermi-Hubbard-Modell studieren können. Dieses gilt derzeit als das wichtigste theoretische Modell für diese Hochtemperatur-Supraleiter. Im Augenblick können wir an etwa hundert Atomen die wechselseitigen Kräfte und die Dynamik eines solchen großen Quantensystems bestimmen. Damit liegen wir ungefähr gleichauf mit dem, was Supercomputer leisten können. Schon in wenigen Jahren werden wir die Supercomputer aber weit hinter uns gelassen haben, denn die Rechenzeit bei solchen Problemen steigt exponentiell an. Unsere Systeme hingegen können wir zumindest im Prinzip stückweise immer größer machen. Vielleicht gelingt es uns so auch, bessere Vorhersagen für künftige Technologien zu liefern.