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Quantencomputer rückt wieder ein Stück näher

26.09.2006 | 10:04 Uhr

Moleküle könnten die Informationsträger der Zukunft sein. Sie gelten als Kandidaten für Quantenbits, den Recheneinheiten eines Quantencomputers. Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching haben eine weitere Hürde auf dem Weg zur informationstechnischen Nutzbarmachung von Molekülen genommen.

Sind die Moleküle polar, d.h. haben sie einen positiven und einen negativen Ladungspol, können sie elektrisch wechselwirken. Dadurch haben sie die Möglichkeit, gegenseitig Informationen auszutauschen. Will man Moleküle als Quantenbits verwenden, müssen sie ultrakalt sein, damit sie praktisch vollkommen in Ruhe sind. Dieses Problem meisterten die Garchinger MPI -Forscher, indem sie die Moleküle erst an den einzelnen Plätzen eines so genannten optischen Gitters aus je zwei Atomen erzeugten.

Das optische Gitter entsteht durch eine geeignete Überlagerung von Laserstrahlen und ähnelt einem Eierkarton. In jede Mulde dieses „Eierkartons“ füllten die Forscher genau zwei Rubidium-Atome. Dazu brachten sie ein kaltes Gas aus Rubidiumatomen in das optische Gitter. Die Mulden entsprechen energetisch besonders günstigen Zuständen. Dort lassen sich die Rubidium-Atome daher bevorzugt nieder. Die Tiefe der Mulde hängt von der Laserleistung ab. Bei niedrigen Laserleistungen können die Atome noch unbeschwert von Mulde zu Mulde hüpfen. Erhöht man die Leistung der Laserstrahlen, werden die Mulden tiefer und irgendwann können die Atome nicht mehr aus den Mulden heraus. Über die Gesamtzahl der Atome im optischen Gitter lässt sich die Zahl der Atome pro Gitterplatz so steuern, dass sich im mittleren Bereich genau zwei Atome pro Mulde befinden. (Siehe Abbildung 1)

Abb.1: Die Mulden in der Mitte des Lichtgitters sind mit Molekülen besetzt (rot), die aus je zwei Atomen mittels eines Magnetfeldes zusammengefügt wurden. Am Rand sitzen einzelne Atome, die keinen Partner zur Molekülbildung haben (orange). Abbildung: MPI
Vergrößern Abb.1: Die Mulden in der Mitte des Lichtgitters sind mit Molekülen besetzt (rot), die aus je zwei Atomen mittels eines Magnetfeldes zusammengefügt wurden. Am Rand sitzen einzelne Atome, die keinen Partner zur Molekülbildung haben (orange). Abbildung: MPI

Nun fahren die Wissenschaftler ein Magnetfeld langsam hoch. Ab einer bestimmten Stärke des Magnetfeldes wird es für die Atome in der Mulde energetisch günstiger, eine Bindung zu ihrem jeweiligen Partner im "Eierkarton" einzugehen. Die Atome ohne Partner in ihrer Mulde werden aus dem Gitter mit einem Laserstrahl „weggeblasen", es resultiert ein Zustand mit genau einem Molekül pro Gitterplatz.

Sobald das Magnetfeld auf den ursprünglichen Wert zurück gefahren ist, bricht die Molekülbindung auf, und die Atome nehmen wieder ihren Ausgangszustand ein. Dieser Umstand ist wichtig, um das Gelingen des Experiments zu überprüfen. Denn nur die Atome können nachgewiesen werden, die Moleküle selbst bleiben unsichtbar. Da die Bindung zwischen den Atomen gelöst und anschließend wieder je zwei Atome in den Mulden beobachtet wurden, konnten die Physiker ausschließen, dass die Moleküle einfach aus dem Gitter entwischt sind. (Siehe Abbildung 2)

Abb.2: Atome und Moleküle im Interferenz-Bild. Nach dem Ausschalten des optischen Gitters fliegen die Atome auseinander, was mit einer CCD-Kamera beobachtet werden kann. Dabei bildet sich ein Interferenzmuster mit den typischen Satellitenpeaks (von hinten nach vorne): vor der Molekülerzeugung, nach der Molekülerzeugung und nachdem die Molekülbindung wieder aufgebrochen wurde. Abbildung: MPI
Vergrößern Abb.2: Atome und Moleküle im Interferenz-Bild. Nach dem Ausschalten des optischen Gitters fliegen die Atome auseinander, was mit einer CCD-Kamera beobachtet werden kann. Dabei bildet sich ein Interferenzmuster mit den typischen Satellitenpeaks (von hinten nach vorne): vor der Molekülerzeugung, nach der Molekülerzeugung und nachdem die Molekülbindung wieder aufgebrochen wurde. Abbildung: MPI

Die Herstellung eines optischen Gitters, in dem sich pro Gitterplatz genau ein Molekül und somit genau ein Quantenbit befindet, ist eine wichtige Voraussetzung für die Verarbeitung von Quanteninformation. Das Garchinger Experiment stellt somit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem Quantencomputer aus Molekülen dar. (Detlef Scholz)

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