Doch erwischt! Laserstrahl im Vakuum sichtbar! Das hilft dem Quantencomputer

Redakteur: Peter Königsreuther

Im luftleeren Raum gibt es keine Partikel, an denen sich Licht streut. Auch Laserstrahlen bleiben folglich unsichtbar. Das erschwert das Quantencomputing. Das Problem ist passé – mit viel Zeitgewinn!

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Laser im Vakuum sichtbar gemacht! Die experimentelle Apparatur mit der Vakuumzelle in der Mitte und dem integrierten Objektiv. Zwei der vier Laserstrahlen sind gezeichnet (nicht maßstabsgetreu). Das Inset zeigt das Fluoreszenzbild zweier einzelner Atome.
Laser im Vakuum sichtbar gemacht! Die experimentelle Apparatur mit der Vakuumzelle in der Mitte und dem integrierten Objektiv. Zwei der vier Laserstrahlen sind gezeichnet (nicht maßstabsgetreu). Das Inset zeigt das Fluoreszenzbild zweier einzelner Atome.
(Bild: S. Brakhane / Uni Bonn)

Physiker der Universität Bonn haben herausgefunden, wie sich Laserstrahlen auch im luftleeren Raum nicht mehr „verstecken“ können. Das vereinfacht nun die ultragenaue Justierung von Forschungslasern, die für die Manipulation einzelner Atome erforderlich ist. Die Forschenden haben ihr Verfahren erstmals in der Zeitschrift Physical Review Applied vorgestellt.

Unterstützung für Quantencomputer-Experimente

Lässt man einzelne Atome miteinander interagieren, legen sie oft ein ungewöhnliches Verhalten an den Tag, sagen die Bonner Experten. Diese Effekte nutzen der Konstruktion von Quantencomputern, die bestimmte Probleme lösen können, bei denen sich übliche Rechner umsonst die Festplatte heiß denken. Für derartige Experimente brauche es einzelne Atome, die man genau an die richtige Position manövrieren müsse. Das übernehmen Laserstrahlen, die quasi als „Förderbänder aus Licht sind“, erklärt Dr. Andrea Alberti, der die Studie am Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn geleitet hat.

Ein solches „Förderband“ enthält im Prinzip zahllose „Taschen“, von denen jede ein einzelnes Atom aufnehmen kann, heißt es weiter. Die Taschen lassen sich sogar vor- und zurückfahren. So kann auch ein Atom gezielt an eine bestimmte Stelle im Raum bugsiert werden, sagt Alberti. Will man die Atome auch noch in verschiedenen Richtungen bewegen, braucht man entsprechend mehr Lichtförderbänder. Bringt man die Atome an den passenden Ort, können sie miteinander interagieren. Damit dieser Vorgang kontrolliert abläuft, müssen alle Taschen des Förderbandes die gleiche Form und Tiefe haben, betont der Experte. Das ist aber nur denn garantiert, wenn sich die Laserstrahlen supergenau überlappen, ergänzt der Kollege Gautam Ramola, der Erstautor.

Triff eine Bohne aus großer Entfernung – und zwar blind!

Dieser Job sei allerdings nicht so einfach, wie er sich anhöre. Denn es kommt auf hohe Präzision an, wie Alberti mit dem Satz versinnbildlicht, dass es ungefäh so ist, als müsse man von den Rängen eines Fußballstadions mit einem Laserpointer eine Bohne treffen, die auf dem Anstoßpunkt liegt. Und wenn das „nur“ schon alles wäre: Denn man muss das sogar mit verbundenen Augen schaffen, führt der Forscher weiter aus. Diese Quantenexperimente finden nämlich im nahezu vollkommenen Vakuum statt. Wir können Lichtstrahlen zum Beschuss deshalb gar nicht sehen.

Doch haben die Bonner Forschenden die Tarnkappe von den Laserstrahlen reißen können. Sie nutzen dazu die Atome selbst, um den Verlauf des Lichts zu messen. Dazu muss das Laserlicht zunächst auf charakteristische Weise verändert werden – das nennt sich elliptische Polarisation, so Alberti. Sobald die Atome auf den so präparierten Laserstrahl geladen würden, nähmen sie bestimmte Eigenschaften an, die sich mit hoher Präzision messen ließen. Jedes Atom, heißt es weiter, wirkt dann wie ein kleiner Sensor, der die Intensität des Strahls aufzeichnet. Untersucht man Tausende von Atomen an verschiedenen Stellen, kann man die Lage des ganzen Strahls auf wenige Tausendstel Millimeter genau bestimmen.

Den Forschern gelang es so etwa, vier Laserstrahlen so zu justieren, dass sie exakt an der gewünschten Position aufeinandertrafen. Normalerweise würde eine solche Justierung mehrere Wochen in Anspruch nehmen und kann dennoch nicht sicher sein, dass alles optimal ist, sagt Alberti. Jetzt klappt das sicher! Und zwar an nur einem Tag!

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