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News: Jeder für sich und doch alle zusammen

In einem Bose-Einstein-Kondensat sind alle Atome gleich - so gleich, als wären sie ein einziges, riesiges 'Superatom'. Mit hohen Potentialhürden lassen sie sich jedoch einzeln in einem Lichtkristall isolieren und durch kontrollierte Zusammenstöße dennoch miteinander verbinden. Ein seltsamer Zustand, wie man ihn für Quantencomputer braucht.
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Im Superkleinen und Superkalten wird die Welt abstrus – und die Forschung Nobelpreis-verdächtig. Da wäre zum Beispiel das Bose-Einstein-Kondensat. Haben wir in der Schule noch gelernt, dass sich nicht mehrere Atome im exakt gleichen Quantenzustand befinden können, waren die Physiker Satyendra Nath Bose und Albert Einstein bereits in den zwanziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts anderer Ansicht. Bei hinreichend niedrigen Temperaturen, so hatten sie errechnet, gehen Gasatome in einen neuen Aggregatzustand über, in welchem sie alle gemeinsam das niedrigste Energieniveau besetzen und sich wie ein einziges 'Superatom' verhalten. Der experimentelle Nachweis ließ zwar einige Jahrzehnte auf sich warten, wurde dafür aber im Jahr 2001 mit dem Nobelpreis geehrt. Und das Bose-Einstein-Kondensat ist eines der beliebtesten Objekte für überraschende Effekte geworden.

Unter anderem stellte sich heraus, dass die homogene Materiemasse, in der alle Atome quasi stets über das gesamte Kondensat verteilt vorliegen, mit Laserstrahlen in kleine Parzellen unterteilt werden kann. Indem das Licht stehende Wellen ausbildet, schafft es energetische Barrieren, über welche die Atome nicht mehr springen können. Eben noch eine frei bewegliche Großfamilie, finden sie sich in diesem als Mott-Isolator bezeichneten Zustand in genau abgemessenen Portionen in den Parzellen wieder. Wie Tischtennisbälle in einem Eierkarton sitzen sie einzeln und ohne Kontakt zu ihren Nachbarn an den Punkten der höchsten Lichtintensität. Wegen der Ähnlichkeit zu den geordneten Strukturen gewöhnlicher Kristalle nennen Wissenschaftler diese Anordnung einen Lichtkristall.

Mit einem solchen System aus rund 100 000 Rubidium-Atomen führten die Physiker Immanuel Bloch und Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität in München Experimente zur Manipulation der Atome durch. Bereits aus früheren Versuchen wussten sie, wie sie den Übergang vom Bose-Einstein-Kondensat zum Mott-Isolator und zurück durch Veränderung der Lichtstärke kontrollieren können. In einem ersten Schritt stellten sie danach einen Lichtkristall mit einzelnen Atomen an den Gitterplätzen her. Zu den Eigenschaften jedes Atoms gehört sein Drehimpuls, der so genannte Spin, der normalerweise entweder nach oben oder nach unten weist. Durch einen gezielten Mikrowellenimpuls versetzten die Forscher die Atome jedoch in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand, in welchem jedes Atom gleichzeitig einen Spin nach oben und nach unten aufwies, die sich beide überlagerten.

Mag die Überlagerung zweier widersprüchlicher Zustände auch schwer vorstellbar sein, der nächste Schritt im Experiment demonstriert noch eindrucksvoller, wie weit unsere makroskopische Alltagswelt sich von der Wirklichkeit der Quantenmechanik unterscheidet. Bloch und Hänsch modifizierten nämlich die Laserstrahlen, die den Lichtkristall aufbauten, und bewegten so die Atome mit Spin nach unten in eine und Spin-oben-Atome in die entgegengesetzte Richtung. Da aber jedes Atom beide Spinvarianten darstellte, wurde es sowohl nach links als auch nach rechts transportiert – mit Tischtennisbällen unmöglich, in der Quantenwelt kein Problem.

Da alle Atome zugleich auf diesem Quantenförderband saßen, begegnete jedes nach einer Strecke von einem halben Gitterabstand seinem Nachbarn. Die beiden Atome wechselwirkten miteinander und gewannen dabei eine weitere typische Eigenschaft aus der Quantenwelt: Sie verschränkten sich. Das bedeutet, ihre Schicksale und Eigenschaften waren fortan miteinander verbunden. Auch nachdem die Physiker das Förderband umgekehrt und jedes Atom wieder an seinen Ausgangspunkt gebracht hatten, "wusste" jedes Teilchen ständig und ohne Zeitverzögerung, wie es seinem verschränkten Partner gerade ging. Und da die Atome gleichzeitig nach links und rechts gewandert waren, hatte jedes sich mit seinen beiden Nachbarn verbrüdert, dieses sich mit seinen Nachbarn und so fort. Insgesamt war eine eindimensionale Kette entstanden, in welcher sich Änderungen an einer Stelle unverzüglich auf die ganze Kette auswirkten.

Genau diese Fähigkeiten sind gefragt, wenn es darum geht, einen Quantencomputer zu entwickeln. Der sollte nämlich die Fähigkeit, mehrere Zustände gleichzeitig zu überlagern, ausnutzen, um viele gleichartige Rechnungen parallel auszuführen. Zum Beispiel könnten bei der Entschlüsselung von codierten Nachrichten alle denkbaren Möglichkeiten auf einen Schlag ausprobiert werden. Allerdings müssten die einzelnen Speichereinheiten – das könnten Atome sein – irgendwie miteinander kommunizieren. Das könnte über eine geschickte Verschränkung passieren.

Doch bis zum ersten wirklichen Quantencomputer ist es noch ein weiter Weg. Der unmittelbare Wert der neuen Forschungsergebnisse liegt darin, die Eigenschaften von Materie bei sehr niedrigen Temperaturen zu ergründen. So bieten ultrakalte Gase eine besonders gute Möglichkeit, Mott-Isolatoren zu studieren. In den meisten Fällen handelt es sich bei derartigen Isolatoren um Festkörper, in denen eine ganze Reihe störender Effekte ablaufen können. Mit einem modifizierten Bose-Einstein-Kondensat haben die Wissenschaftler ein sehr viel reineres System zur Verfügung. Weiß man erst einmal, wie die Materie sich verhält und warum, kommen auch die Anwendungen nach. Um das vorauszusagen, braucht man keinen Quantencomputer.

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