Neuer Quantenspeicher in Sicht

Vielversprechender Kandidat für einen Quantenspeicher: Physikern aus Deutschland ist es erstmals gelungen, die Position einzelner Ionen Seltener Erden in einem Kristall genau zu bestimmen. Dadurch können sie auch die Quantenzustände der Teilchen vermessen und manipulieren. Weil die untersuchten Ionen sich zum Speichern und Verarbeiten von Quanteninformationen eignen, können sie dadurch einen wichtigen Beitrag für künftige Quantencomputer leisten, schreiben die Wissenschaftler im Magazin „Nature Communications“.

Quantencomputer sollen in nicht allzu ferner Zukunft Informationen um ein Vielfaches schneller verarbeiten, als unsere heutigen Computer es können. Allerdings fehlt es bis jetzt noch an Bauteilen, die diese Funktionen zuverlässig erfüllen. Weltweit arbeiten darum zahlreiche Wissenschaftler an solchen Bausteinen für künftige Quantencomputer. Zu den zentralen Elementen dieser Superrechner gehören Quantensysteme mit atomähnlichen optischen Eigenschaften: Sie nutzen Licht, um Informationen nicht nur zu übermitteln, sondern auch zu verarbeiten.

Quantenpunkte oder sogenannte lichterzeugende Defekte in Diamanten stehen darum im Mittelpunkt des Interesses vieler Forscher. Allerdings sind ihre Eigenschaften nicht optimal für den Einsatz in Quantencomputern: „Manche der Lichtquellen verlieren ihre Leuchtkraft oder flackern auf unkontrollierte Weise“, erklärt Vahid Sandoghdar vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen. „Andere werden stark von der Umgebung gestört, in die sie eingebettet sind.“

Trick macht schwaches Leuchten sichtbar

Um diese Nachteile zu überwinden, setzt das Team um Sandoghdar daher auf andere Materialien: Schon lange war bekannt, dass die Ionen Seltener Erden wie Neodym oder Erbium nicht unter solchen Problemen leiden. Darum spielen sie heute zum Beispiel in Lasern und Laserverstärkern eine zentrale Rolle. Allerdings geben sie nur wenig Licht ab, das schwache Leuchten eines einzelnen solchen Teilchens ist daher nur sehr schwer messbar.

Mit einem Trick ist den Physikern aber genau das nun gelungen: Sie betteten dreifach positiv geladene Ionen des Seltenerdmetalls Praseodym (Pr3+) in winzige Kristalle aus Yttriumorthosilikat (YSO) ein. Je nach ihrer Position im Kristall zeigen die Ionen minimale Unterschiede in ihrer Energie. Dadurch reagieren sie auch auf leicht unterschiedliche Frequenzen. Diese winzigen Unterschiede nutzten die Forscher, um mit einem Laser gezielt einzelne Ionen im Kristall anzuregen.

Ungewöhnlich stabile Energiezustände

Die aufgenommene Energie geben die Ionen in Form von Licht wieder ab. Mit ausgefeilter Mikroskopietechnik ist dieses Licht für die Wissenschaftler messbar und verrät ihnen alles über die Energiezustände des Teilchens. So konnten sie nicht nur die Position eines einzelnen Praseodym-Ions auf wenige Nanometer genau im Kristall lokalisieren, sondern auch seine optischen Eigenschaften mit zuvor unerreichter Genauigkeit vermessen.

Der YSO-Kristall stabilisiert die Ionen dabei: „Weil die Ionen der Seltenen Erden nicht stark von den thermischen und akustischen Schwingungen des Kristalls beeinflusst werden, sind einige ihrer Energiezustände ungewöhnlich stabil“, sagt Sandoghdar. „Es dauert länger als eine Minute, bevor sie wieder in den Grundzustand übergehen – millionenfach länger als bei den meisten anderen heute untersuchten Quantensystemen.“

Quantenspeicher in Zukunft noch stärker

In genau diesen verschiedenen Energiezuständen eines Atoms oder Ions lassen sich Quanteninformationen speichern – wesentlich mehr Information pro Teilchen als in den Nullen und Einsen herkömmlicher Bits. Die Pr3+-Ionen eignen sich daher als Quantenspeicher, der sich mit der neu entwickelten Technik nun auch gezielt beschreiben und auslesen ließe.

In Zukunft sollen die Signale der Ionen noch besser zu sehen sein. Mit weniger als 100 Photonen pro Sekunde sind sie zwar messbar, aber noch immer recht schwach. Die Physiker wollen daher das Praseodym-Signal mit Nano-Antennen und Mikro-Resonatoren um das Hundert- oder sogar Tausendfache verstärken. (Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomms4627

(Max-Planck-Gesellschaft, 17.04.2014 – AKR)