Lichtgitter für Quantencomputer

Neues Mikroskop erlaubt bisher präzisesten Blick auf Quantengase

Schnappschuss eines Quantengases
Schnappschuss eines Quantengases

Cambridge (USA) - Tiefgekühlte und einzeln eingefangene Atome könnten in Zukunft als so genannte Qubits die Berechnungen in einem extrem leistungsfähigen Quantencomputer übernehmen. Auf dem langen Entwicklungsweg fanden nun amerikanische Physiker eine elegante Art, um solche Qubit-Atome viel genauer als bisher zu beobachten. Sie konstruierten ein neuartiges Lasermikroskop, mit dem sie sich laut ihrem Bericht in der Zeitschrift "Nature" völlig neue Einblicke in die Quantenprozesse der Atome versprechen.

Von zentraler Bedeutung für das Mikroskop ist ein optisches Gitter, das Markus Greiner und seine Kollegen vom Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms in Cambridge mit Lasern auf eine Wolke aus tiefgekühlten Rubidiumatomen projizierten. Diese Wolke bildete ein Bose-Einstein-Kondensat, in dem sich die Quantenzustände der einzelnen Atome nicht mehr voneinander unterschieden und eine Art Superatom bildeten. Dieser Zustand änderte sich schlagartig mit der Projektion des Gitters. Denn nun verteilten sich die Rubidiumatome auf die einzelnen Gitterplätze. Der Abstand zweier Atome zueinander betrug dabei nur 640 Nanometer. So konnten die Physiker quasi einen Schnappschuss des Bose-Einstein-Kondensats mit ihrem Mikroskop aufzeichnen.

Im Experiment reichte die Anzahl der Rubidiumatome bewusst nicht aus, um alle Plätze innerhalb des Gitters einzunehmen. Da durch die Laserprojektion die Atome zugleich zum Leuchten angeregt wurden, konnten die Wissenschaftler aber exakt beobachten, an welchen Positionen sich die tiefgekühlten Rubidiumatome befanden. Diese Positionen spiegeln die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten innerhalb des ursprünglichen, auch als Quantengas bezeichneten Bose-Einstein-Kondensats wieder.

"Dieses Quantengas-Mikroskop könnte auch zum Bestimmen und Auslesen von ausgedehnten Quanteninformationssystemen dienen, die auf ultrakalten Atomen aufbauen", schreiben Markus Greiner und seine Kollegen. Daher sollen solche geordneten Areale eingefangener Atome nützlich für die weitere Entwicklung von Quantencomputern sein. Doch diese Schnappschüsse werden mit atomarer Auflösung nun auch komplexe Prozesse innerhalb eines Quantengases oder auch von exotischen Zuständen wie Supraflüssigkeiten analysieren helfen.