Laserpinzette ordnet Atome für Quantencomputer

Einen Abacus aus einzelnen Atomen haben deutsche Physiker in einem extrem tiefgekühlten Areal verwirklichen können.

Bonn - Werden bei einem klassischen Abacus kleine Kugeln mit den Fingern über ein Stange geschoben, konnten Arno Rauschenbeutel und seine Kollegen an der Universität Bonn sieben einzelne Cäsium-Atome mit einer Laserpinzette in Reih und Glied anordnen. Mit diesem Erfolg, den die Forscher in der Zeitschrift "Nature" beschreiben, nehmen sie eine weitere Hürde auf dem langen Weg zu ungeahnt leistungsfähigen Quantencomputern.

Nur wenige tausendstel Grad oberhalb vom absoluten Temperaturnullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius kommen die Cäsiumatome fast zum Stillstand. Geordnet werden sie, vergleichbar mit den Eiern in einem Karton, in einer Hügellandschaft auf Lichtwellen. "Nur in welchem Wellental die Atome genau landen, lässt sich leider nicht vorhersagen", erklärt Rauschenbeutel. Hier griffen die Quantenforscher zu einer Laserpinzette, um einzelne Atome nachträglich zu sortieren. Denn um mit ihnen rechnen zu können, müssen sie exakt platziert werden. Mit dem Laserlicht können die Atome wie auf einem Förderband verschoben werden, so dass sie sich immer mit dem gleichen Abstand von 15 millionstel Metern aufreihen lassen. Dieser Sortiervorgang dauerte lediglich zwei Sekunden.

Doch so eingefangene Atome sind nur ein erster Schritt hin zum Quantencomputer. Danach müssen sie quantenphysikalisch gekoppelt werden, der Physiker spricht hier von "Verschränkung". Dadurch wird ein isoliertes Atom zu einem Quantenbit, mit dem sich in Zukunft komplexe Verschlüsselungscodes knacken und aufwändige Simulationen durchführen ließen. Vorteil dieser kurz "Qubits" genannten Einheiten ist, dass sie nicht wie klassische Bits wahlweise nur einen von zwei Werten, "0" und "1", annehmen können, sondern diese beiden Zustände und alle weiteren dazwischen zeitgleich repräsentieren. "Wir hoffen, dies in den nächsten ein bis zwei Jahren zu erreichen", sagt Rauschenbeutel.

Näher dran an einem rechnenden Quantencomputer sind dagegen Forschergruppen in Innsbruck und im amerikanischen Boulder. Sie isolierten keine neutralen Cäsiumatome sondern geladene Ionen, beispielsweise aus Kalzium. Zwölf Qubits in einer Reihe konnten kürzlich so schon realisiert werden. Vorreiter bei diesen Ionenexperimenten ist Rainer Blatt, Professor der Physik und Geschäftsführer des Innsbrucker Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI). "Wir gehen hier einen ganz neuen Weg in der Informationsverarbeitung", erklärt Blatt. Seine Arbeitsgruppe baute voriges Jahr das allererste Quantenbyte aus acht einzelnen Ionen aus Kalzium. Alle waren örtlich fein säuberlich voneinander getrennt. Jedes einzelne eingefangen mit den elektromagnetischen Feldern einer Paul-Ionenfalle. Diese wurden von außen mit einer ganzen Serie von Laserpulsen unter Kontrolle gehalten und bilden das Herz der völlig neuen Klasse der Datenverarbeitung, bei der Prozesse nicht mehr hintereinander, sondern parallel ablaufen. "Die Ionenexperimente sind ohne Frage derzeit am weitesten fortgeschritten", weiß auch Rauschenbeutel.

Der Grund für den Vorsprung der Ionen liegt vor allem darin, dass man Ionen aufgrund ihrer elektrischen Ladung sehr gut einfangen kann. Ebenfalls aufgrund der elektrischen Ladung bekommt man die Kopplung zwischen den Ionen in Form der Coulomb-Wechselwirkung sozusagen geschenkt. "Problematisch wird dies jedoch, wenn Sie mit sehr langen Ionenketten, sagen wir aus einigen zehn Ionen, arbeiten wollen", sagt Rauschenbeutel. Da sich die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen all diesen Ionen nicht abschalten lässt, führt sie mit wachsender Teilchenzahl zu einem immer komplizierteren Aufbau. Einzelne Anregungsniveaus der Ionen liegen dann irgendwann so dicht, dass sie nicht mehr aufgelöst werden können. Doch dies sei eine Voraussetzung für die Funktionsweise der Ionenrechner, so Rauschenbeutel.

Dieses Problem will Rauschenbeutel mit seinen neutralen Cäsiumatomen umgehen. Auch in großer Zahl stören sie sich nicht gegenseitig. "Was bei Neutralatomen also zunächst wie ein Nachteil aussieht, nämlich die sehr schwache interatomare Wechselwirkung, könnte sich in diesem Licht nun in einen Vorteil verkehren", so der Bonner Quantenforscher. Denn Atome in einer Stehwellenfalle, wie von den Bonnern realisiert, verhalten sich tatsächlich, als seien ihre Nachbarn nicht vorhanden. Somit könnte man dann mit der Zahl der Qubits in Bereiche vorstoßen, in denen "echte" Probleme gelöst werden können. Diese technisch sehr anspruchsvollen Experimente stehen noch ganz am Anfang.