13.11.2026
Forschende der LMU und des MPQ haben eine Plattform entwickelt, die bislang getrennt realisierte Funktionen vereint: Einzelne Atome können Quanteninformationen mit Licht austauschen und kontrolliert miteinander wechselwirken.
© Thorsten Naeser
Quantencomputer der Zukunft könnten zu Netzwerken zusammengeschlossen werden, deren einzelne Recheneinheiten über Licht miteinander kommunizieren. Dafür müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein: Einzelne Atome müssen sich gezielt kontrollieren lassen, um Quanteninformation zu speichern. Für Quantenberechnungen müssen sie außerdem miteinander wechselwirken können. Und schließlich braucht es eine effiziente Schnittstelle, über die Atome Quanteninformation mit Lichtteilchen, sogenannten Photonen, austauschen können. Diese drei Voraussetzungen in einem einzigen System zu vereinen, war bislang eine ungelöste Herausforderung.
Optischer Resonator
Einem Forschungsteam um Johannes Zeiher, Professor für Experimentalphysik – Künstliche Quantenmaterie, Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und Mitglied des Exzellenzclusters MCQST, ist dabei nun ein wichtiger Durchbruch gelungen. In ihrem Experiment halten die Forschenden einzelne Rubidiumatome in einer Anordnung optischer Pinzetten fest. Dabei handelt es sich um stark fokussierte Laserstrahlen, die als winzige Fallen für die Atome dienen.
Damit die Atome Quanteninformation mit Licht austauschen können, platzieren die Forschenden die Anordnung in einem optischen Resonator. Dieser besteht aus zwei einander gegenüberliegenden, hochreflektierenden Spiegeln. Gelangt ein Photon in den Resonator, wird es zwischen den Spiegeln tausendfach hin- und herreflektiert und passiert dabei immer wieder die Atome. Auf diese Weise wird die normalerweise schwache Wechselwirkung zwischen einem einzelnen Atom und einem Photon erheblich verstärkt.
Damit Quantencomputer aber auch Berechnungen durchführen können, reicht es nicht aus, dass die Atome Quanteninformation mit Licht austauschen – sie müssen auch gezielt miteinander wechselwirken können. Dazu werden sie in sogenannte Rydberg-Zustände versetzt. In diesen hochangeregten Zuständen wechselwirken Atome stark mit ihren Nachbarn, selbst über Entfernungen von mehreren Mikrometern hinweg – Entfernungen, die tausendfach größer sind als die Atome selbst. Solche Wechselwirkungen bilden die Grundlage für elementare logische Operationen – sogenannte Quantengatter – in Quantencomputern, die auf neutralen Atomen basieren. Weiterlesen