Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Quantenstift für einzelne Atome

17.03.2011
Physikern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik 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.

Weltweit ringen Physiker derzeit um den besten Weg für die Realisierung von Quantencomputern. Einen entscheidenden Schritt in diese Richtung haben jetzt Wissenschaftler um Stefan Kuhr und Immanuel Bloch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) gemacht. Sie konnten erstmals einzelne Atome mit Laserlicht ansprechen und zu beliebigen Strukturen anordnen (Nature 471, S. 319 (2011), DOI: 10.1038/ nature09827).


Abbildung 1: Mit Hilfe eines Laserstrahls können einzelne Atome im Lichtgitter gezielt adressiert und deren Spinzustand verändert werden. Die Forscher konnten so eine vollständige Kontrolle über die einzelnen Atome erreichen und beliebige zweidimensionale Muster aus einzelnen Atomen „schreiben“. MPQ


Abbildung 2: Mit dem Adressierschema lassen sich beliebige Muster von Atomen im Gitter präparieren. Die atomaren Muster bestehen aus jeweils 10-30 einzelnen Atomen, die in einem künstlichen Kristall aus Licht gefangen sind. (Bildmaterial online unter: www.quantum-munich.de/media) MPQ

So haben die Forscher die Atome entlang einer Linie aufgereiht und deren Tunneldynamik in einem „Wettrennen“ der Atome direkt beobachtet. Ein Register aus mehreren hundert adressierbaren Quantenteilchen könnte in einem Quantencomputer der Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformation dienen.

Im vorliegenden Experiment kühlen die Wissenschaftler zunächst Rubidium-Atome auf eine Temperatur von einigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und laden diese dann in einen künstlichen Kristall aus Licht. Solche sogenannten optischen Gitter werden von den Forschern durch die Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erzeugt. Die Atome werden im Lichtgitter festgehalten – ähnlich wie Murmeln in den Mulden eines Eierkartons.

Das Team um Kuhr und Bloch zeigte bereits vor einigen Monaten, dass sich in diesem Lichtgitter jeder Platz mit genau einem Atom besetzen lässt. Mit Hilfe eines Mikroskops konnten die Wissenschaftler Atom für Atom sichtbar machen und dabei ihre schalenförmige Anordnung in diesem „Mott-Isolator“ nachweisen. 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.

Die hohe Zuverlässigkeit dieser Adressiertechnik demonstrierten die Wissenschaftler in einer Reihe von Versuchen. So wurden z. B. nacheinander die Spins aller Atome entlang einer Linie umgeklappt, indem der Adressierlaser von Gitterplatz zu Gitterplatz bewegt wurde. Anschließend wurden alle Atome mit umgeklapptem Spin aus der Falle entfernt. Die adressierten Atome werden so als Fehlstellen sichtbar, die leicht gezählt werden können. Daraus ließ sich ableiten, dass das Adressieren in 95% aller Fälle funktioniert. Die Atome auf benachbarten Gitterplätzen werden von dem Adressierlaser nicht beeinflusst, da sie nur noch einem Zehntel der Lichtintensität ausgesetzt sind. Auf diese Weise lassen sich beliebige Verteilungen von Atomen in dem Gitter erzeugen (siehe Abbildung).

An einer Anordnung von 16 Atomen, die auf benachbarten Gitterplätzen wie an einer Perlenschnur aneinander gereiht waren, untersuchten die Wissenschaftler, was passiert, wenn die Gitterhöhe soweit heruntergefahren wird, dass die Teilchen nach den Regeln der Quantenmechanik „tunneln“ dürfen – d. h. von einem Gitterplatz zum nächsten gelangen, auch wenn ihre Energie eigentlich nicht ausreicht, um die Barriere zwischen den Gittertöpfchen zu überspringen. „Sobald die Gitterhöhe den Punkt erreicht hat, an dem das Tunneln möglich ist, laufen die Teilchen los, wie bei einem Pferderennen“, erläutert Christof Weitenberg, Doktorand am Experiment. „Indem wir zu verschiedenen Zeiten nach dem „Startschuss“ Schnappschüsse von den Atomen im Gittern machten, konnten wir den quantenmechanischen Tunneleffekt erstmals direkt an einzelnen massiven Teilchen in einem Gitter beobachten.“

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 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. „Wir haben gezeigt, dass wir einzelne Atome gezielt speichern und adressieren können. Damit das Atom als Quantenbit taugt, müssen wir auch noch kohärente Überlagerungen seiner beiden Spin-Zustände erzeugen können. Erst dann lassen sich z. B. elementare Logikoperationen zwischen zwei bestimmten Atomen im Gitter, sogenannte Quantengatter, realisieren.“ [Olivia Meyer-Streng]

Originalveröffentlichung:
Christof Weitenberg, Manuel Endres, Jacob F. Sherson, Marc Cheneau, Peter Schauß, Takeshi Fukuhara, Immanuel Bloch, and Stefan Kuhr
“Single-Spin Addressing in an Atomic Mott Insulator”
Nature 471, 319 (2011), DOI:10.1038/nature0982
Kontakt:
Prof. Dr. Stefan Kuhr
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching b. München
Tel.: +49 89 32905 738
E-Mail: stefan.kuhr@mpq.mpg.de
Prof. Dr. Immanuel Bloch
Lehrstuhl für Physik, LMU München
Schellingstr. 4, 80799 München, und
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 89 32905 138
E-Mail: immanuel.bloch@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 (0)89 / 32905 – 213
Fax: +49 (0)89 / 32905 – 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.quantum-munich.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden
19.10.2017 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Gravitationswellen: Sternenglanz für Jenaer Forscher
19.10.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Aufräumen? Nicht ohne Helfer

19.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen

19.10.2017 | Materialwissenschaften

Forscher studieren molekulare Konversion auf einer Zeitskala von wenigen Femtosekunden

19.10.2017 | Physik Astronomie