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Samstag, 23.09.2017
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Glaskäfig für Riesenatome

Mikroglaszellen als Behälter für Rydbergatome in der Quantenoptik geeignet

Riesenatome sind extrem sensibel gegenüber äußeren Einflüssen. Das könnte sie zwar zu idealen Schaltern für Quantencomputer machen, scheitert aber bislang an dem extremen Aufwand, um sie abgeschirmt erzeugen und erhalten zu können. Jetzt haben Physiker erstmals solche so genannte Rydbergatome in Mikrozellen aus Glas eingesperrt und dort ohne störende Wechselwirkungen erhalten. Diese jetzt in „Nature Photonics“ erschienene Erkenntnis könnte neue Wege für die Quanteninformationsverarbeitung mit Riesenatomen eröffnen.
Riesenatome werden durch rotes und blaues Laserlicht aus "normalen" Atomen erzeugt und zwischen zwei Glasplatten eingesperrt.

Riesenatome werden durch rotes und blaues Laserlicht aus "normalen" Atomen erzeugt und zwischen zwei Glasplatten eingesperrt.

Rydbergatome sind Atome, bei denen ein Elektron den Kern nur schwach gebunden umkreist – und dies auf einer nach Atommaßstäben riesigen Bahn: sie kann mehr als 100 Nanometer Größe erreichen, normale Atome sind dagegen meist kleiner als ein Zehntel Nanometer. Diese Riesenatome sind allerdings extrem empfindlich, schon kleinste Störungen verändern sie. Das jedoch macht sie besonders interessant für quantenlogische Operationen, denn sie können sich gegenseitig über viele Mikrometer hinweg „spüren" und eignen sich deshalb als Schaltelemente für Quantenzustände.

Abschirm-Aufwand bisher zu hoch


Andererseits scheint die Miniaturisierung solcher Quantenbauelemente durch die hohe Empfindlichkeit erschwert zu werden, denn Riesenatome reagieren auch sehr stark auf die sie umgebenden Wände. Daher sind aufwändige Vakuumapparaturen notwendig, um die Atome von jeglichem Kontakt mit der Außenwelt abzuschirmen. Die Atome werden dann mit Laserstrahlen und starken Magnetfeldern festgehalten und sehr nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt. Diese komplexen Aufbauten sind jedoch schwer anwendbar. Gesucht sind daher kompakte, leicht handhabbare Systeme, die leicht zu skalieren sind und mit den aktuellen Techniken in Serie produziert werden können.

Mikroglaszellen ohne Störeffekte


Nun haben Forscher am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart gezeigt, dass Riesenatome unter bestimmten Umständen ohne große Störung in kleinsten Glaszellen eingesperrt
und beobachtet werden können. Die Physiker schlossen Atome des Alkalimetalls Rubidium zwischen zwei Glaswänden im Abstand von weniger als einem Mikrometer ein. Durch Laseranregung verwandelten sie diese dann in ein Riesenatom und bestimmten die Energieverschiebungen mit einem kohärenten Verfahren, das sehr empfindlich auf Informationsverlust reagiert.


Sie stellten fest, dass verschiedene Zustände unterschiedlich stark in Wechselwirkung mit den Wänden stehen und identifizierten sogar einen bestimmten Zustand, der nahezu unbeeinflusst von den Wänden blieb. Es ist also prinzipiell möglich, Rydbergatome mit Strukturen aus Glas für die Quanteninformationsverarbeitung zu kombinieren.
(Universität Stuttgart, 12.01.2010 - NPO)
 
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