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Illustration: Laserstrahls adressiert einzelne Atome im Lichtgitter gezielt und ändert Spin

Ein Quantenstift für einzelne Atome

Deutschen Physikern ist es gelungen, Atome in einem Lichtgitter einzeln zu adressieren und beliebig anzuordnen. Dieses ist unter anderem für die Realisierung von Quantencomputern und zur Simulation von Festkörpersystemen von großer Bedeutung.

Physik 17.03.2011

Weltweit wird an der Realisierung von Quantencomputern gearbeitet. Einen weiteren Schritt in diese Richtung haben jetzt Wissenschaftler um Stefan Kuhr und Immanuel Bloch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik gemacht. Sie konnten erstmals einzelne Atome mit Laserlicht ansprechen und zu beliebigen Strukturen anordnen. Ein Register aus mehreren hundert adressierbaren Quantenteilchen könnte in einem Quantencomputer der Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformation dienen.

Einzelne Atome werden adressiert

Zur Studie in "Nature":

"Single-Spin Addressing in an Atomic Mott Insulator" von Christof Weitenberg et al.

Bei ihrem Experiment haben die Forscher zunächst Rubidium-Atome auf eine Temperatur von einigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt und dann in einen künstlichen Kristall aus Licht geladen. Solche optischen Gitter werden von den Forschern durch die Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erzeugt. Die Atome werden in diesem Lichtgitter festgehalten.

Bereits vor einigen Monaten war es dem Team gelungen, in diesem Lichtgitter jeden Platz mit genau einem Atom zu besetzen. Nun ist es den Forschern gelungen, die auf ihren Gitterplätzen fixierten Atome einzeln anzusprechen und ihre jeweiligen Energiezustände zu ändern. Mit Hilfe des Mikroskops fokussierten sie einen Laserstrahl auf einen Durchmesser von etwa 600 Nanometern, was knapp über dem Gitterabstand liegt, und richteten ihn mit hoher Genauigkeit auf einzelne Atome.

Der Laserstrahl deformiert die atomare Elektronenhülle ein kleines bisschen und verändert damit die Energiedifferenz zwischen den beiden Spin-Zuständen des Atoms. Atome mit einem Spin, d.h. einem Eigendrehimpuls, verhalten sich wie kleine Magnetnadeln, die sich in zwei entgegen gesetzten Richtungen ausrichten können. Bestrahlt man die Atome nun mit Mikrowellen, die mit dem modifizierten Spin-Übergang in Resonanz sind, dann absorbieren nur die adressierten Atome ein Mikrowellen-Photon, was ein Umklappen ihres Spins zur Folge hat. Alle anderen Atome im Gitter bleiben von dem Mikrowellenfeld unbeeinflusst.

Natürliches Quantenregister

Die hohe Zuverlässigkeit dieser Adressiertechnik demonstrierten die Wissenschaftler in einer Reihe von Versuchen. Daraus ließ sich ableiten, dass das Adressieren in 95 Prozent aller Fälle funktioniert. Auf diese Weise lassen sich beliebige Verteilungen von Atomen in dem Gitter erzeugen.

Die neuen Adressiertechniken ermöglichen viele interessante und kontrollierte Untersuchungen der Dynamik von kollektiven Quantenzuständen, wie sie in komplexen Festkörpersystemen auftreten. Aber auch in der Quanteninformationsverarbeitung eröffnen sich neue Perspektiven. "Ein solcher Mott-Isolator mit genau einem Atom pro Gitterplatz stellt ein natürliches Quantenregister mit mehreren hundert Quantenbits dar, die ideale Ausgangsbasis für skalierbare Quanteninformationsverarbeitung", erklärt Stefan Kuhr.

science.ORF.at

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