Quantengatter

Vom Abakus zum „Quabakus“

Bose-Einstein-Kondensate bestehen aus vielen hunderttausend ultrakalten Atomen im quantenmechanischen Gleichtakt. Physikern ist es jetzt gelungen, eine solche ultrakalte Atomwolke in einen Kristall aus reinem Laserlicht zu zwingen – und dadurch ein räumliches Quantengatter zu erzeugen, das im Prinzip einen massiv parallelen Quantencomputer mit über 100.000 Schaltelementen verkörpert.

Zwar lassen sich die Atome innerhalb des Gatters noch nicht einzeln ansprechen, doch in ihrer Gesamtheit bereits trickreich manipulieren: Mit der Steuerung eines solchen quantenmechanischen Vielteilchensystems ist man zu einer Art „Quabakus“ gelangt.

Vierteilige Grafik: Jeweils ist eine Wellenstruktur dargestellt, auf denen sich einzelne Kugeln bewegen.
Eine Rechenoperation im Quantengatter

Eine dünne Gaswolke aus einigen Hunderttausend bis Milliarden Atomen, deren Temperatur weniger als ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt: Derart exotisch präsentiert sich ein Bose-Einstein-Kondensat. In dieser Ultrakälte können die Atome der Gaswolke kollektive Eigenschaften ausbilden. Denn ein Atom, anschaulich ein festes Teilchen, verhält sich quantenphysikalisch als eine Welle oder als ein Wellenpaket. In einer „normalen“ Gaswolke überlagern sich die Wellenpakete der einzelnen Atome völlig ungeordnet – wie die Töne eines Ensembles, dessen Musiker ihre Instrumente wild durcheinander stimmen. Wird diese Gaswolke auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt, dann können die Atome in eine gemeinsame Materiewelle „kondensieren“ - und verhalten sich dann wie ein Musikensemble, das hoch geordnet im präzisen Gleichtakt spielt.

Dafür müssen die Atome allerdings zur quantenmechanischen Familie der Bosonen gehören, benannt nach dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose (1894 bis 1974). Er hatte gemeinsam mit Albert Einstein (1879 bis 1955) schon in den zwanziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts vorausgesagt, dass Bosonen bei tiefen Temperaturen kollektiv in einen Zustand niedrigster Energie kondensieren können. 1995 gelang in zwei amerikanischen Labors erstmals die Erzeugung eines solchen Bose-Einstein-Kondensats, wofür die drei führenden Köpfe 2001 den Nobelpreis für Physik erhielten.

Bose-Einstein-Kondensate faszinieren die Physiker, weil mit ihnen erstmals eine Materiewelle aus vielen Quantenteilchen im Laborversuch offen zugänglich ist. Sie lässt sich direkt manipulieren und eröffnet so einen völlig neuen experimentellen Zugang zur Welt der Quantenmechanik. Dem Forscherteam um Immanuel Bloch an der Universität Mainz und Theodor W. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und an der Universität München sind dazu in den letzten Jahren eine Reihe bahnbrechender Experimente gelungen. Das Neueste ist ein Gatter aus etwa 100.000 ultrakalten Atomen, die sich mit Laserlicht wie die Kugeln eines Quanten-Abakus verschieben lassen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer.

Um das Quantengatter herzustellen, präparieren die Münchener Physiker ein dreidimensionales Kristallgitter aus reinem Laserlicht. An seinen Kreuzungspunkten sitzen kleine Energiefallen, deren Wände sich einfach hoch und wieder hinunter fahren lassen. Dieses Gitter wird wie ein Netz über ein Bose-Einstein-Kondensat aus etwa 100.000 Atomen geworfen. So fängt sich jedes Atom in einer der Fallen – wie Eier, die sauber in einen großen Eierkarton einsortiert werden. Physiker nennen das Mott-Isolator-Zustand: In ihm verschwindet die kollektive Materiewelle des Bose-Einstein-Kondensats. Sie taucht jedoch sofort wieder auf, sobald die Physiker die Wände der Lichtfallen herunterfahren und die Atome frei lassen.

Dieses verblüffende „Gedächtnis“ der Quantenmechanik erlaubt es, die Atomwolke zwischen dem Mott-Isolator-Zustand und dem Bose-Einstein-Kondensat hin und her zu schalten. Das wollen die Physiker nutzen, um ein Rechenregister für hochparallele Computeroperationen herzustellen. Dabei übernimmt jedes der gut 100.000 Atome die Rolle eines Quanten-Bits (Qubit). Für einen Rechenschritt verschieben nun die Forscher einzelne Atome von ihren Gitterplätzen im Lichtkristall – wie die Kugeln eines Abakus. Dazu benutzen sie natürlich keine Finger, sondern Radiofrequenz und Laserlicht-Pulse.

Bunte Grafik zeigt eine wachsende Erhöhung.
Interferenzmuster zeigen die Entstehung eines Quantengatters

Die atomaren Qubits können die Information 0 oder 1 (Nein oder Ja) in Form zweier innerer, quantenmechanischer Zustände speichern: Diese sollen einfach rot und blau heißen. Verschiebt der Laserfinger nun zum Beispiel die roten Atome im Gitter nach links, dann wandern die blauen um den gleichen Abstand in die entgegengesetzte Richtung, also nach rechts. Doch die Speicherfähigkeit der atomaren Qubits beschränkt sich nicht allein auf die Informationen 0 oder 1: Sie können auch einen blauroten Mischzustand speichern, also eine Art „Quanten-Jein“. Im Gegensatz zum unentschiedenen und daher unbeliebten Jein unseres Alltags birgt dieser Mischzustand allerdings eine präzise Quanteninformation und erlaubt daher ganz neue Rechenoperationen.

Ein mit einem Radiopuls blaurot präpariertes Atom reagiert mit einer erstaunlichen Quanteneigenschaft auf den Laserfinger: Es rückt gleichzeitig nach links und nach rechts. So kommt es zugleich dem rechten und dem linken Nachbaratom im Gitter näher. Der Zusammenstoß zwischen den drei Atomen zerstört jedoch nicht deren empfindliche Quantenzustände, wie dies bei höheren Temperaturen zu erwarten wäre. Vielmehr verschränken sie sich zu einem neuen, gemeinsamen Quantenzustand: Dieses Verhalten erinnert an drei nebeneinander stehende Sänger eines Chors, die sich durch Anstoß des mittleren Sängers auf einen gemeinsamen, neuen Ton einschwingen. Dieser Ton dringt auch zu den Chorsängern auf den entfernteren Plätzen und beeinflusst diese ebenfalls. Ganz ähnlich wirkt der neue verschränkte Zustand auf die entfernteren der mehr als 100.000 Qubits. Mit solchen Operationen können die Münchener Forscher ein hochparalleles Quantengatter produzieren, dessen Qubits sich in einem komplexen, verschränkten Quantenzustand befinden. Dabei bietet das Bose-Einstein-Kondensat gegenüber anderen Versuchen, Rechenregister für Quantencomputer herzustellen, einen großen Vorteil: Es kann sehr viele Atome bereitstellen, und darüber hinaus ist die Zahl dieser Qubits breit variierbar. Somit konnten die Entwickler eines Quantencomputers dessen Größe und Rechenleistung leicht an ihre Erfordernisse anpassen.

Quantencomputer sind für Physiker besonders interessant, weil sie das Verhalten jedes Quantensystems im Prinzip perfekt berechnen können Sie bergen außerdem das Potenzial, eines Tages komplexe mathematische Probleme aus Technik und Gesellschaft mit ansonsten unerreichbarer Rechengeschwindigkeit zu lösen.