Geometrie der Superatome

Wie und wann Quantencomputer funktionieren werden, ist noch ungewiss. Immerhin gibt es zahlreiche Vorschläge für Systeme, mit denen sie rechnen könnten. Zum Beispiel ultrakalte Ensembles zahlreicher Atome, die in einem künstlichen Kristall aus Licht fixiert sind. Die Atome eines solchen Quantengase sollen ähnlich wie die Elemente eines elektronischen Schaltkreises auf komplexe Weise zusammenarbeiten, um knifflige Aufgaben zu lösen. Wie die Atome miteinander wechselwirken, erforschen Wissenschaftler um Immanuel Bloch, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, und sie haben jetzt neue Einsichten über eine Art von Wechselwirkung gewonnen, mit denen sie dazu beitragen, die Quanteninformationsverarbeitung weiterzuentwickeln.

Das Team um Immanuel Bloch und Peter Schauß kühlte ein Gas aus mehreren hundert Rubidium-Atomen auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt und lud die Atome anschließend in ein optisches Gitter. Dieses wird von sich kreuzenden Laserstrahlen geformt. Im Kreuzungsbereich entsteht durch Interferenz ein Muster unterschiedlich hoher Lichtintensitäten, das mit seinen Höhen und Tiefen einem Eierkarton ähnelt. Wenn die Rubidiumatome in das Lichtgitter gelangen, wechselwirken sie so mit dem Laserlicht und wandern zu den Mulden des Eierkartons, wo sie festgehalten werden. Dabei verteilen die Atome sich gleichmäßig über den Eierkarton, sodass nur ein Rubidiumatom in jeder Mulde sitzt.

Superatome ermöglichen es, Zustände über größere Strecken zu schalten

Anschließend erzeugten die Wissenschaftler in dem Atom-Ensemble so genannte Rydberg-Anregungen, indem sie dem Quantengas mit Laserlicht Energie zuführten. Als Rydberg-Anregungen bezeichnen Physiker energetisch stark angeregte Atome. Eines der Elektronen umkreist den Atomkern in einem viel größeren Abstand als die restlichen Elektronen des Atoms. Dadurch bläht sich das Atom um mehr als das Tausendfache auf: ein Rydberg-Atom kann einen Durchmesser von mehreren hundert Nanometern erreichen. Solche Riesenatome reagieren sehr empfindlich auf elektrische Felder. Der diesjährige Nobelpreisträger Serge Haroche hat das genutzt, um mit Rydberg-Atomen den quantenmechanischen Zustand von Lichtteilchen zu messen, ohne die Lichtteilchen zu beeinflussen. Die große Ausdehnung von Rydberg-Anregungen und ihre Empfindlichkeit könnten sich aber auch für die Quanteninformationsverarbeitung als hilfreich erweisen. Vor diesem Hintergrund untersuchen die Garchinger Forscher Rydberg-Anregungen in einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen.

Normalerweise wechselwirken in einem optischen Gitter nur jene Rubidiumatome miteinander, die in der selben Mulde des Eierkartons liegen. Für die Quanteninformationsverarbeitung wäre es aber wichtig, dass Wechselwirkungen innerhalb des Atom-Ensembles über größere Strecken möglich sind, damit etwa – analog zu einem Transistor – der Zustand eines Atoms den des anderen schalten kann. Solche weitreichenden Wechselwirkungen haben die Garchinger Forscher nun beobachtet, als sie die Rydberg-Zustände in ihrem Quantengas untersuchten.

In dem Experiment wurden allerdings nicht einzelne Atome im Gas zu Rydberg-Atomen angeregt, gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik verteilt sich die Rydberg-Anregung über mehrere Atome in dem Ensemble. Diese kollektive Anregung verhält sich wie ein selbständiges, viele Atome umfassendes Teilchen, gewissermaßen wie ein Superatom.

Mehrere Rydberg-Anregungen gehen auf Distanz zueinander

Dabei stellten die Forscher fest, dass sich die Superatome so verhielten, als gingen sie sich aus dem Weg: Erzeugten sie zwei Rydberg-Anregungen in dem Atom-Ensemble, entstanden diese stets in einem Mindestabstand voneinander. Grund für diese gegenseitige Blockade sind so genannte van-der-Waals-Kräfte. Diese entstehen zwischen zwei Atomen oder Molekülen durch die Fluktuationen elektrischer Ladungen in den Elektronenhüllen zweier Teilchen, bei denen vorübergehend elektrische Plus- und Minus-Pole entstehen. Die van-der-Waals-Kräfte wirken meist anziehend, können aber auch abstoßend sein. Im Garchinger Experiment war letzteres der Fall. Daraus ergibt sich eine Art Blockade-Radius, der die Superatome gewissermaßen zu harten Kugeln macht, die sich nicht durchdringen.

„Besonders spannend wurde es, wenn in dem Atom-Ensemble drei oder mehr dieser „Superatome" entstanden“, sagt Peter Schauß. Drei Rydberg-Anregungen ordneten sich zu gleichseitigen Dreiecken, vier Superatome zu Quadraten und fünf zu regelmäßigen Fünfecken. Wie sich diese geometrischen Formen in der Ebene des optischen Gitters orientierten, variierte dabei jedoch. Es entstanden also Vielecke, die beliebig gegeneinander verdreht waren.

Nur ein quantenmechanisches Vielteilchensystem ist für einen Quantencomputer nützlich

„Die Superatome folgten somit dem grundlegenden Streben in der Natur, geordnete und platzsparende Strukturen zu bilden“, erklärt Peter Schauß. Dieses Prinzip führt etwa dazu, dass sich Atome oder Moleküle zu Kristallen mit regelmäßiger Struktur zusammenfinden. Die Garchinger Forscher beobachteten daher sozusagen Rydberg-Kristalle. „Das ist ein exotischer Materiezustand, wie er noch nie direkt beobachtet worden ist", sagt der am Experiment beteiligte Physiker Marc Cheneau.

Nach dieser Entdeckung untersuchten die Wissenschaftler, ob die beobachteten geometrischen Muster aus Rydberg-Anregungen quantenmechanische Vielteilchensysteme bilden, ob sie also gleichzeitig mehrere Zustände einnehmen. Oder ob jede einzelne Anregung sich nach den Regeln der klassischen Physik verhält und nur einen definierten Zustand aufweist, ob also etwa die drei Superatome eines Dreiecks wie drei Kugeln nebeneinander liegen. Letzteres wäre möglich, weil sich die beobachteten Muster nicht nur in quantenmechanischen Vielteilchensystemen bilden können, sondern auch von Kugeln, die der klassischen Physik gehorchen.

Diese Frage zu klären ist wichtig, da Quantencomputer die Regeln der Quantenmechanik nutzen. Damit ihre könnte daher nur von den Rydberg-Anregungen in dem Atom-Ensemble profitieren, wenn es sich dabei um quantenmechanische Vielteilchen-Zustände handelt und nicht um ein klassisches System. „Je besser wir Physiker solche quantenmechanischen Vielteilchen-Zustände kontrollieren können, desto eher können wir einen leistungsfähigen Quantencomputer entwickeln", sagt Marc Cheneau.

Das Ziel ist mehr Kontrolle über die Rydberg-Anregungen

Wenn die Garchinger Forscher tatsächlich quantenmechanische Vielteilchensysteme erzeugt haben, entsteht der Zustand des Systems aus einer Überlagerung der beobachteten geometrischen Muster mit verschiedenen Anzahlen von Rydberg-Anregungen und/oder verschiedenen Orientierungen in der Ebene.

Die Garchinger Forscher fanden einen klaren Hinweis darauf, dass es sich tatsächlich um einen quantenmechanischen Vielteilchenzustand handelt. Dazu maßen sie, wie die durchschnittliche Anzahl der Rydberg-Anregungen in dem Gas aus Rubidium-Atomen von der Dauer des anregenden Laserpulses abhängt. Die Ergebnisse ließen sich durch ein Modell erklären, das einen quantenmechanischen Vielteilchen-Zustand annimmt. Ein absoluter Beweis für die Quantennatur der geometrischen Muster aus Superatomen ist das allerdings noch nicht.

Als Nächstes wollen die Garchinger Forscher gezielt Rydberg-Kristalle mit einer bestimmten Anzahl von Rydberg-Anregungen erzeugen. Das sei eine große Herausforderung, meint Peter Schauß. „Das Ziel ist, mehr Kontrolle über das quantenmechanische Vielteilchensystem zu erreichen", sagt der Physiker. Um komplexe Operationen mit einem Quantencomputer durchzuführen, sei es nötig, möglichst viele Rydberg-Anregungen zu kontrollieren. Auf lange Sicht ermöglicht die Beherrschung solcher Systeme den Bau eines skalierbaren Systems für die Quanteninformationsverarbeitung, also eines Systems, das sich ohne großen Zusatzaufwand vergrößern lässt.

Um eine weitreichende Wechselwirkung in dem Quantengas zu beobachten, mussten Peter Schauß und seine Kollegen darin gleichzeitig mehrere Rydberg-Anregungen erzeugen. Das gelang Ihnen, indem sie die Dauer des anregenden Laserpulses verlängerten. Mit einer selbst entwickelten Messtechnik bestimmten sie schließlich die Anordnung der Superatome. Grob gesagt, brachten sie die Anregungen mit Laserlicht geeigneter Frequenz zum Leuchten und bestimmten dann den Ort dieses Leuchtens.