Mikrowellen geben Ionen den Takt vor

Professor Martin Plenio (links) und Dr. Alex Retzker vom Institut für Theoretische Physik

Physiker der Universitäten Ulm und Siegen haben eine Möglichkeit gefunden, Quantenzustände von Ionen durch Mikrowellenstrahlung zu stabilisieren. Ein wichtiger Beitrag. Schließlich gehört die „Zähmung“ von Atomen und Ionen, etwa für die Quanteninformationsverarbeitung, zu den aktuellen Herausforderungen der Physik. Die neuen Erkenntnisse könnten beispielsweise ein Baustein  auf dem Weg zum leistungsfähigen Quantencomputer sein. Unter dem Titel „Quantum Gates and Memory using Microwave Dressed States“ haben die Forscher um Professor Martin Plenio und Dr. Alex Retzker vom Ulmer Institut für Theoretische Physik sowie Professor Christof Wunderlich von der Universität Siegen ihre Ergebnisse jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ publiziert.

„Um Ionen unter Kontrolle zu bringen, werden sie in Ionenfallen gefangen und mit Laserlicht gekühlt. Dann stellt sich die Frage, wie man die elektrisch geladenen Partikel miteinander in Wechselwirkung bringt“, erklärt Humboldt-Professor Martin Plenio. Bereits vor zehn Jahren habe der Mitautor der jüngsten Publikation, Professor Christof Wunderlich (Universität Siegen), vorgeschlagen, Ionen zusätzlich einem starken Magnetfeld auszusetzen. In diesem Fall bestimmt die Ausrichtung der im Ion befindlichen Elektronen die Gesamtenergie des Partikels. Eine Änderung dieser Ausrichtung verschiebt das ganze Ion in der Falle. Das benachbarte Ion registriert die Verschiebung und ändert seine Position dementsprechend. Die Verschiebung kann dann auf Elektronen dieses Teilchens übertragen werden. „Derartige angestrebte Wechselwirkungen können mit einer Stuhlreihe verglichen werden. Rückt die äußerste Person einen Platz weiter, stößt diese Bewegung eine Kettenreaktion an“, so Plenio.

Das Problem: Die zusätzlichen Magnetfelder sind nicht stabil und ändern ihre Stärke zufällig. Deshalb geraten die Ionen nach und nach außer Kontrolle, in der Physik nennt man dieses Phänomen „Rauschen“. Um ein solches Chaos zu vermeiden, müsste ein „Dirigent“ den Ionen den Takt vorgeben. Diese Rolle haben die Wissenschaftler zusätzlichen Mikrowellen und somit oszillierenden elektromagnetischen Feldern zugewiesen, die in Ionenfallen integriert werden können. Mit Erfolg: Durch starke elektromagnetische Felder werden Zufälligkeiten in den Elektronen-Ionen-Wechselwirkungen unterdrückt.

Künftig wollen die Wissenschaftler ihre Erkenntnisse auf weitere physikalische Fragestellungen anwenden und durch die „Mikrowellenkontrolle“ zum Beispiel Mess-Sensoren verbessern. Eine Besonderheit des Forschungsprojekts ist die enge Zusammenarbeit von Ulmer Theoretikern und Experimentalphysikern aus Siegen – und zwar von der ersten Idee vor rund einem Jahr bis zur Publikation des Fachbeitrags.

Die Wissenschaftler sind vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt worden. Zudem wurde das Projekt mit Mitteln aus dem EU-Projekt „The Physics of Ion Coulomb Chrystals“ (PICC) und der Alexander von Humboldt Professur, die Professor Martin Plenio an der Uni Ulm Ulm innehat, finanziert.

N. Timoney, I. Baumgart, M. Johanning, A.F. Varón, M.B. Plenio, A. Retzker, C. Wunderlich: „Quantum Gates and Memory using Microwave Dressed States“. Nature. Vol. 476, Nr. 7359. pp. 185-188. DOI: 10.1038/nature10319 (11. August 2011).

Von Annika Bingmann

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Prof. Martin Plenio
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