August 2021

von Dominik Diehl

Eine an der Universität Bonn entwickelte Methode beschleunigt die ultragenaue Justierung für Quantencomputer-Experimente dramatisch

In der Schule haben wir gelernt: Ein Lichtstrahl wird sichtbar, wenn er auf Materieteilchen trifft und von ihnen gestreut oder reflektiert wird. Im luftleeren Raum gibt es jedoch keine Partikel. Der Strahl bleibt somit unsichtbar. Dies stellt Experimente mit Quantencomputern bislang vor größere Herausforderungen. Denn Quanten-Experimente finden in nahezu vollkommenem Vakuum statt. Nach einer Meldung der Universität Bonn wurde dort nun eine Methode entwickelt, mit der sich Laserstrahlen auch unter diesen Bedingungen sichtbar machen lassen sollen. Zudem vereinfache das Verfahren die ultragenaue Justierung der Laser.

Manövrierhilfe für Atome

Lässt man einzelne Atome miteinander interagieren, legen sie oft ein ungewöhnliches Verhalten an den Tag. Diese Effekte lassen sich für das Quantencomputing nutzen. Prinzipiell gehe es darum einzelne Atome exakt an die richtige Position im Raum zu manövrieren, so die Bonner Forscher. „Wir nutzen dazu Laserstrahlen, die uns gewissermaßen als Förderbänder aus Licht dienen“, erklärt Dr. Andrea Alberti, der die Studie am Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn geleitet hat.

Ein solches Förderband enthalte zahllose Taschen, von denen jede ein einzelnes Atom aufnehmen könne. Durch den Einsatz mehrerer solcher Licht-Förderbänder  lassen sich die Atome zum passenden Ort transportieren, wo sie miteinander interagieren können. Wichtig sei dabei, dass alle Taschen eines Förderbandes die gleiche Form und Tiefe besitzen. „Um diese Homogenität zu gewährleisten, müssen sich die Laser mikrometergenau überlappen“, erläutert Gautam Ramola, der Erstautor der Studie.

Eine Bohne im Fußballstadion

Diese Aufgabe erfordere ein Höchstmaß an Genauigkeit und Präzision. „Es ist in etwa so, als müssten Sie von den Rängen eines Fußballstadions mit einem Laserpointer eine Bohne treffen, die auf dem Anstoßpunkt liegt“, verdeutlicht Alberti. „Doch damit nicht genug – Sie müssen das sogar mit verbundenen Augen schaffen.“ Denn Quanten-Experimente finden in nahezu vollkommenem Vakuum statt. Wir können Lichtstrahlen aber nur dann sehen, wenn sie an einem Materieteilchen gestreut oder von ihm reflektiert werden.

Die Bonner Forscher nutzten daher die Atome selbst, um den Verlauf des Lichts zu messen. „Dazu haben wir das Laserlicht zunächst verändert – wir sprechen auch von einer elliptischen Polarisation“, erklärt Alberti. Sobald die Atome auf den so präparierten Laserstrahl geladen werden, nehmen sie bestimmte Eigenschaften an, die sich mit hoher Präzision messen lassen. „Jedes Atom wirkt wie ein kleiner Sensor, der die Intensität des Strahls aufzeichnet“, erklärt Alberti. „Indem wir Tausende von Atomen an verschiedenen Stellen untersuchen, können wir die Lage des Strahls auf wenige Tausendstel Millimeter genau bestimmen.“

Den Forschern gelang es auf diese Weise beispielsweise, vier Laserstrahlen so zu justieren, dass sie exakt an der gewünschten Position aufeinandertrafen. Normalerweise würde eine solche Justierung mehrere Wochen in Anspruch nehmen. Zudem bestehe keine Gewähr, dass der optimale Punkt erreicht werde. „Mit unserem Verfahren benötigten wir dafür nur etwa einen Tag.“, so Alberti.

(PR/DD)