Atome im Eierkarton - scinexx | Das Wissensmagazin
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Optische Gitter als Molekülbehälter

Atome im Eierkarton

Laser © DOE

Um einen quantenmechanischen Superrechner zu bauen, verfolgen Physiker auch andere Ansätze. Viel weniger Platz als Zehntausende Atome in Resonatoren brauchen etwa Atome, die Physiker in optischen Gittern wie in einem Eierkarton fixieren. Die Atome setzen sich dabei in Potenzialmulden, die sich aus den elektromagnetischen Wellen überlagerter Laserstrahlen formen. Dabei sind sie in dem Gitter etwa so langsam und kalt wie in einem Resonator.

Ideen, wie die Teilchen auf den Gitterplätzen miteinander kommunizieren könnten, haben Physiker auch schon – eine notwendige Voraussetzung, um Rechenaufgaben zu lösen. Noch besser als Atome wären polare Moleküle geeignet, um in dem Gitter mit Bits zu hantieren. Denn sie können besser von Gitterplatz zu Gitterplatz kommunizieren. Ihre atomare Zusammensetzung gibt solchen Molekülen positive und negative Enden, über die sie miteinander wechselwirken können.

Optischer Eierkarton © MaxPlanckForschung / Felix Brandl

„So weit sind wir noch nicht, aber wir haben kürzlich immerhin erstmals unpolare Moleküle aus zwei Rubidiumatomen an den Gitterplätzen gebildet“, sagt Niels Syassen, der an dem Experiment in Rempes Abteilung mitarbeitet. Zu diesem Zweck haben die Wissenschaftler ein sehr kaltes und stark verdünntes Rubidiumgas in den optischen Eierkarton gefüllt, sodass höchstens zwei Atome eine Potenzialmulde besetzten. Anschließend legten sie ein Magnetfeld an dieses Arrangement. Indem sie dessen Stärke sehr langsam veränderten, zwangen sie die Atome in eine Partnerschaft. Ab einer bestimmten Stärke des Magnetfelds ist es für die Atome nämlich günstiger, eine Bindung zu schließen, als weiterhin ein Singledasein zu führen. Sobald die Forscher das Magnetfeld wieder zurückfuhren, trennten sich die Partner wieder.

Simulation in Sicht

Rubidiumatome (rot) in einem optischen Gitter gehen eine Bindung ein © MPI für Quantenoptik

Ein Ensemble von Molekülen, die in einem optischen Gitter schweben, könnte auch das Herz eines Quantensimulators darstellen. Ignacio Cirac, der als Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik an der Theorie der Quanteninformationsverarbeitung strickt, hat schon einen Vorschlag gemacht, wie die isoliert in einem Gitter sitzenden Teilchen mehrere Zustände gleichzeitig annehmen. Physiker sprechen von einem Überlagerungszustand. Ein Muss, um in der Quanteninformationsverarbeitung mitspielen zu können: Nur auf diese Weise können sie in einem Schritt gleich mehrere Rechenoperationen ausführen.

Damit die Atome auf diese quantenmechanische Weise zusammenfinden, möchte Ignacio Cirac zunächst ihre Identität spalten. Denn Physiker können ein Atom so manipulieren, dass es sich entweder in einem Lichtgitter verfängt, dessen Wellen rechtsherum drehen, oder einem, in dem sich die Wellen linksherum winden. Die Quantenmechanik hält dem Atom aber beide Möglichkeiten offen, bis tatsächlich jemand misst, auf welches Licht es reagiert. Es gibt somit zwei virtuelle Atome, wo nach klassischem Verständnis nur eines existiert.

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Jedes der beiden virtuellen Atome lässt sich sogar einzeln durch die Gegend manövrieren: Mit einem optischen Gitter aus rechtsdrehendem Licht lässt sich dann nur der entsprechende virtuelle Teil des Atoms verschieben. Der andere bleibt, wo er ist – obwohl beide ein Teilchen darstellen.

Auf diese Weise könnten Physiker die eine Form des Atoms zum benachbarten Gitterplatz schieben. An dem sitzt dann noch die anders gepolte Form des Nachbarn. Indem die beiden virtuellen Teilchen miteinander wechselwirken, werden sie miteinander verschränkt – eine der Möglichkeiten, in den Überlagerungszustand zu gelangen. Jetzt ließe sich mit ihnen quantenrechnen – theoretisch jedenfalls.

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Stand: 17.11.2006

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Duell in der Quantenwelt
Wie Quanten Information verarbeiten

Überblick
Das Wichtigste in Kürze

Spion ohne Schlüssel
Wie funktioniert Quantenkryptographie?

Schneller dank Photonenpistole
Ziel: Ein Photon pro Schuss

Lichtteilchen blitzen im Takt
Vom Lichtimpuls zur Quantenmechanik

Rechnen am absoluten Nullpunkt
Erste Schritte zum Quantencomputer

Rechnen mit dem Licht
Was kann ein Quantencomputer – und was (noch) nicht?

Atome im Eierkarton
Optische Gitter als Molekülbehälter

Der Quantensimulator
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