Die Bits und Bytes auf Festplatten rücken immer enger zusammen: Die Speicherdichte wächst dadurch stets weiter, weil der Platz, den die kleinste Informationseinheit – das Bit – benötigt, kleiner und kleiner wird. Ein einzelnes Atom bildet dann die natürliche Grenze für das Schrumpfen der Bits, denn letztlich muss es in Form des physikalischen Zustands eines Stücks Materie gespeichert werden, etwa in der Richtung von dessen Magnetisierung. Deutsche Forscher haben diese Grenze nun erreicht. Ein Physikerteam um Holger Specht vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hat die denkbar winzigste Hardware-Einheit zum Ablegen, Speichern und wieder Auslesen von Information benutzt: ein einzelnes Rubidiumatom.

Genauer gesagt, haben sie ein Quantenbit, kurz Qubit, in dem Atom gespeichert. Von einem herkömmlichen Bit unterscheidet es sich dadurch, dass es die Informationen "Ja" und "Nein" gleichzeitig speichern kann, statt jeweils nur einen der beiden Werte. Diese Fähigkeit von submikroskopischen Teilchen soll einmal Quantencomputern ermöglichen, bestimmte Aufgaben im Windeseile zu erledigen, für die ein herkömmlicher Rechner Jahre bräuchte.

Das Team um Specht hat Information, die im Polarisationszustand eines Lichtteilchens, des Photons, enthalten ist, auf das Rubidiumatom übertragen, sie dort für mehr als 100 Mikrosekunden gespeichert und anschließend wieder in Form eines neuen Photons ausgelesen. Damit bietet sich die Möglichkeit, Quantenbits mit Hilfe der schnellen Lichtteilchen zu transportieren, sie aber auch in einzelnen Atomen an einem Ort festzuhalten und zu verarbeiten. Bislang war es nur möglich, Quanteninformation zwischen Photonen und Ansammlungen von Tausenden von Atomen auszutauschen. Um das gleiche mit einzelnen Atomen zu tun, war die Wechselwirkung zwischen Atom und Photon zu gering.

Die Garchinger Forscher verstärkten diese Wechselwirkung durch einen optischen Resonator, in dem das Photon hin- und herreflektiert wurde und in dessen Mitte sich das Atom befand. Ein gleichzeitig auf das Atom gerichteter Steuerlaser führte das Atom in einen Zustand, dessen magnetische Eigenschaften den Polarisationszustand des Photons widerspiegelten. Dieser Zustand ist stabil und dient als Speicher. Ausgelesen wurde die Information durch erneutes Einstrahlen des Steuerlasers.

Das Verfahren könnte verschiedene Teile eines künftigen Quantenrechners miteinander vernetzen oder Quanteninformation über weite Strecken transportieren, denn für Letzteres braucht es so genannte Quantenrepeater, die gewissermaßen als Brückenpfeiler des Informationskanals dienen. Eine Schnittstelle zwischen Atom und Licht, wie die aus Garching, könnte einmal hierfür verwendet werden. (cm)