Bonner Physiker bauen einen Speicher für Quanteninformation

Physikern der Universität Bonn ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Quanteninformationsverarbeitung mit neutralen Atomen gelungen: In der aktuellen Ausgabe der „Physical Review Letters“ 93 (2004) berichten sie über die experimentelle Realisierung eines Quantenregisters.

Als nächstes wollen die Wissenschaftler nun ein Quantengatter konstruieren, in dem zwei oder mehrere Atome kontrolliert miteinander wechselwirken. Mit einer Kombination aus Register und Gatter stünden dann alle Grundbausteine für die Entwicklung eines Quantencomputers mit neutralen Atomen zur Verfügung.

Ein Register ist der zentrale Arbeitsspeicher eines Computers. Es besteht aus einer Reihe von elementaren Informationszellen, die jeweils ein Bit an Information, das heißt eine logische Null oder eine Eins, aufnehmen können. In einem Register von acht Bit Länge lässt sich so beispielsweise eine Zahl zwischen 0 und 255 speichern – die 255 entspricht einer Reihe von acht Bits im Zustand 1. Um zwei Zahlen zu addieren, benötigt man in der Regel drei Register: Zwei für die beiden Summanden und ein weiteres für das Resultat.

„Wir verwenden für unsere Register neutrale Atome“, erklärt Dominik Schrader vom Bonner Institut für Angewandte Physik. Ein Atom ist ein mikroskopisches Quantensystem und kann daher Quanteninformation speichern. In Anlehnung an das ’Bit’ nennt man es deshalb auch ’Qubit’. Qubits können neben den klassischen Informationszuständen Null und Eins auch beliebige Zwischenzustände, so genannte quantenmechanische Überlagerungszustände, annehmen.

Schrader hat das Register zusammen mit Dr. Arno Rauschenbeutel in der Arbeitsgruppe von Professor Dr. Dieter Meschede gebaut. Die Physiker bremsten in ihrem Experiment zunächst Caesium-Atome so weit ab, dass sie sich fast nicht mehr bewegten. Fünf dieser „kühlen“ Atome luden sie dann auf einen Laserstrahl, eine stehende Lichtwelle aus vielen Bergen und Tälern – vergleichbar vielleicht mit einem Stück Wellpappe. In ihren Wellentälern „eingesperrt“, blieben die Atome so stationär fixiert, was die Forscher mit einer hochempfindlichen Digitalkamera kontrollieren konnten.

Mit Hilfe eines weiteren Lasers initialisierten die Forscher dann das Quantenregister, sprich: Sie „beschrieben“ alle Qubits mit Nullen. „Anschließend konnten wir dann mittels Mikrowellenstrahlung in jedem Qubit die gewünschte Quanteninformation speichern“, so Schrader. Um die Qubits gezielt einzeln manipulieren zu können, erzeugten die Physiker um ihr Register ein ortsabhängiges Magnetfeld. „Je nach lokaler Stärke des Magnetfeldes reagieren die Qubits nur auf Mikrowellenstrahlung von einer ganz bestimmten Frequenz. Durch Variation der Mikrowellenstrahlung konnten wir daher ganz gezielt nur die gewünschten Qubits beschreiben.“ Die Auflösung dieser Adressiertechnik beträgt etwa zwei Tausendstel Millimeter – auf einer Länge von einem Millimeter ließen sich also mehrere hundert Qubits unterbringen.

Um zu kontrollieren, ob das Register tatsächlich die gewünschte Information gespeichert hatte, beschossen die Forscher die Atomkette mit Laserlicht, das nur mit Qubits im Zustand 0 wechselwirkt. Die Laser-Photonen schossen diese 0-Atome von dem Trägerstrahl, ließen die 1-Atome aber unberührt. Im Kamerabild waren danach nur noch die mit einer „1“ beschriebenen Atome sichtbar.

Im nächsten Schritt versuchen die Physiker nun, ein Quantengatter zu realisieren, in dem zwei oder mehr Qubits des Registers kontrolliert miteinander wechselwirken. „Wir hoffen, in zwei Jahren so weit zu sein“, so Dominik Schrader. „Allerdings stößt man in diesem Bereich immer wieder auf Schwierigkeiten, mit denen man vorher nicht gerechnet hätte.“ Dementsprechend vorsichtig fällt auch seine Prognose aus, wann der erste „Quantencomputer“ seinen Dienst aufnehmen wird, der seinen Namen wirklich verdient. Der hätte dann aber wahrscheinlich Fähigkeiten, gegen die herkömmliche Rechner ziemlich blass aussehen würden – beispielsweise bei der Faktorisierung großer Zahlen, bei der heutige Computer recht schnell an ihre Grenzen stoßen.

Ansprechpartner:

Dominik Schrader
Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn
Telefon: +49-(0) 228-73/3483 und -3480
Fax: +49-(0) 228/73-3474
E-Mail: d.schrader@gmx.com

Professor Dr. Dieter Meschede
Telefon: +49-(0) 228/73-3478
E-Mail: meschede@iap.uni-bonn.de