„Eierkarton“ als Molekülbehälter

Moleküle gelten als mögliche Kandidaten für Quantenbits, die Speicher- und Recheneinheiten eines Quantencomputers. Dafür müssen sie Informationen speichern und diese mit anderen, regelmäßig angeordneten austauschen können. Einen solchen Zustand haben Physiker jetzt mit Hilfe eines so genannten optischen Gitters geschaffen, das durch eine geeignete Überlagerung von Laserstrahlen entsteht und in seiner Form einem Eierkarton ähnelt. Methode und Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Im Prinzip eignen sich Atome und Moleküle gleichermaßen als Speichereinheiten für Quanteninformation. Sind die Moleküle aber polar, das heißt haben die Moleküle einen positiven und einen negativen Ladungspol, können sie elektrisch wechselwirken – in etwa so wie zwei Magnete sich an- oder abstoßen, je nach Orientierung. Diese elektrische Wechselwirkung ermöglicht es den Molekülen miteinander zu kommunizieren und Informationen auszutauschen, weshalb polare Moleküle für die Quanteninformation besonders interessant sind.

Moleküle machen Schwierigkeiten

Allerdings sind Moleküle auch ziemlich komplizierte Objekte, da sie aus mehreren Atomen aufgebaut sind. Während Atome mit Hilfe von Laserlicht und weiteren Tricks praktisch zum Stillstand gebracht werden können, ist dies für Moleküle nicht so einfach möglich, weil die Atome, aus denen sie aufgebaut sind, auch gegeneinander schwingen können und sich das ganze Molekül um mehrere Achsen drehen kann.

Will man aber Moleküle als Quantenbits verwenden, müssen diese ultrakalt sein, das heißt eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt besitzen und praktisch vollkommen in Ruhe sein. Aber auch auf dieses Problem hatten die Garchinger Forscher eine Antwort. "Wir umgehen diese Schwierigkeit, da wir die Moleküle erst an den einzelnen Plätzen des Gitters erzeugen", sagt Prof. Gerhard Rempe, Direktor am Max-Planck- Institut für Quantenoptik und Leiter der Studie.

Optisches Gitter als „Eierkarton“

Dazu haben die Forscher ein sehr kaltes Gas aus Rubidiumatomen – ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat – in ein optisches Gitter gebracht. Ein optisches Gitter entsteht, wenn man mehrere Laserstrahlen in geeigneter Weise überlagert. Das resultierende Lichtfeld hat dann eine Form, die an einen Stapel von Eierkartons erinnert. 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.

Atome und Moleküle im Interferenz-Bild. Hinten: vor der Molekülerzeugung, Mitte: nach der Molekülerzeugung und Vorne: nachdem die Molekülbindung wieder aufgebrochen wurde. © MPI für Quantenoptik

Erhöht man die Leistung der Laserstrahlen, werden die Mulden tiefer und irgendwann können die Atome nicht mehr aus den Mulden heraus – sie sind gefangen. Dieser hochgradig geordnete Zustand wird auch Mott-Isolator genannt. Über die Gesamtzahl der Atome in dem optischen Gitter können die Physiker die Zahl der Atome pro Gitterplatz so steuern, dass sich im mittleren Bereich genau zwei Atome pro Mulde befinden, und lediglich am Rand die Mulden mit einzelnen Atomen bestückt sind.

Partnersuche im „Eierkarton“

Im nächsten Schritt legen die Wissenschaftler ein Magnetfeld an, das sie langsam hochfahren. Dabei nutzen sie eine so genannte Feshbach- Resonanz aus: 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, als weiterhin ein Single-Dasein zu fristen. Die Atome, welche keinen Partner in ihrer Mulde haben und deshalb zum Single-Dasein verdammt sind, werden aus dem Gitter entfernt. Für sie gibt es keine Verwendung mehr, wie Gerhard Rempe ausführt:"Die einzelnen Atome haben wir alle mit einem Laserstrahl aus dem optischen Gitter "weggeblasen". So erhielten wir einen Zustand mit genau einem Molekül pro Gitterplatz."

Sobald das Magnetfeld auf den ursprünglichen Wert zurück gefahren wird, 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, während die Moleküle selbst leider unsichtbar sind. "Da wir die Bindung zwischen den Atomen gelöst und anschließend wieder je zwei Atome in den Mulden beobachtet haben, konnten wir ausschließen, dass die Moleküle einfach aus dem Gitter entwischt sind", sagt Thomas Volz, der zusammen mit seinen Kollegen das Experiment durchgeführt hat.

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.

(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 26.09.2006 – NPO)