Die faszinierende Welt der Quanten

Lichtteilchen miteinander wechselwirken zu lassen. Ein weiterer kleiner Nachteil: Photonen versuchen dauernd, den Forschern mit Lichtgeschwindigkeit zu entfliehen. Als Lichtteilchen haben sie ja auch keine andere Wahl.

    Bild 25: Künstlerische Darstellung eines quantenoptischen „Chips“, den britische Forscher Ende 2011 vorgestellt haben
    Dieser Fluchtinstinkt hat aber für die praktische Anwendung auch einen gewissen Charme, denn so lassen sich Informationsverarbeitung und -übertragung gut verbinden. Optischer Datentransfer über Glasfaserkabel ist heute längst Standard, in manchen Städten wollen Telekom und Co. sogar Endkunden über solche Lichtwellen-Leiter ans Internet anbinden. Bei anderen Verfahren müsste man hingegen einen Wandler dazwischenschalten, der naturgemäß verlustbehaftet ist.
    Derzeit sind die Wissenschaftler dabei, die entsprechenden Strukturen zu verkleinern: Während man im Labor noch große Arbeitstische mit Laserquellen, Strahlenteilern, Spiegeln und so weiter vorfindet, ist es unter anderem an der Universität Bristol schon gelungen, zwei Qubits auf der Fläche eines „Chips“ (immer noch 70 mal 3 Millimeter groß) unterzubringen. Wiener Forscher hoffen, mit der so genannten „kohärenten Photonen-Umwandlung“ ein ganz neues Werkzeug schaffen zu können, das die Konstruktion optischer Quantenrechner deutlich erleichtern würde.
    Dass das Verfahren funktioniert, konnten die Forscher schon zeigen – es ist allerdings noch nicht komplett umgesetzt. Falls das gelingt, würden alle nötigen Schritte des Quantenrechnens vereinfacht: Es wäre leichter als bisher, die Qubits zu erzeugen, daran Algorithmen auszuführen und die Ergebnisse auszulesen.
Atome in Gittern
    Eher eine Hilfsrolle spielen Photonen bei dem Weg, den unter anderem Forscher des Garchinger Max-Planck-Instituts für Quantenoptik beschreiten: Sie fangen eine größere Anzahl von Atomen in einem Gitter ein, das aus Laserstrahlen gebildet wird. Dieses Gitter erzeugt für die neutralen Atome eine Struktur, die einer Eierverpackung gleicht. In jedem der „Eierlöcher“ findet statt eines Hühnereis ein Atom Platz. Allerdings können die Forscher die Eigenschaften des Gitters verändern. Sie können die Stege schmaler oder niedriger machen und beobachten, wie sich die Atome nun verhalten. Bricht man aus einer Eierverpackung die Pappstege heraus, kullern die Eier plötzlich durcheinander – Atome verhalten sich nach den Gesetzen der Quantenphysik und nutzen zum Beispiel die niedrigeren Hürden für den Tunneleffekt . Das lässt sich zwar nicht zum Rechnen einsetzen, führt aber trotzdem zur Lösung wissenschaftlicher Probleme. Die Gitterstrukturen ähneln nämlich erstaunlich denen, die etwa Elektronen in Festkörpern vorfinden, nur dass sie sich hier im Labor weit besser manipulieren lassen. Das Ergebnis könnten neuartige Materialien sein, denen man anders nicht auf die Spur gekommen wäre.
    Was die Forscher damit gebaut haben, ist ein Quantensimulator : Ein System, das das Verhalten eines anderen Quanten-Systems simuliert und damit Rückschlüsse erlaubt. Quantensimulatoren sind derzeit für die Physiker ein sehr heißes Eisen, weil sie mit vergleichsweise geringem Aufwand (der Aufbau eines solchen Experiments dauert trotzdem zwei, drei Jahre) bereits bestimmte Funktionen von Quanten-Computern übernehmen, die sicher noch zwanzig Jahre auf sich warten lassen werden.

    Bild 26: Eine eingeschlossene dichte Wolke aus Atomen in einem optischen Gitter (oben) wird plötzlich freigelassen; (links) zeigt die anschließende Bewegung im Gitter für Atome ohne Wechselwirkung, (rechts) für Atome mit Wechselwirkung
    Derzeit arbeiten die Forscher daran, ihre Kontrollmöglichkeiten über einzelne Atome zu verbessern. Sollten sie dabei erhebliche Fortschritte erzielen, hätten sie plötzlich einen Quanten-Computer mit sehr vielen Qubits vor sich.
Atome in Fallen
    Natürlich kann man einen Quantencomputer auch Stück für Stück aus seinen Grundbausteinen zusammensetzen, etwa aus Atomen oder Ionen (das sind Atome, denen ein Elektron fehlt und die dadurch von elektrischen Feldern beeinflussbar sind). Diese Herangehensweise, die Ionenfalle, wählen unter vielen anderen Physiker der für ihre Quantenphysik-Abteilung bekannten Innsbrucker Universität.
    Nutzt man nur wenige Atome, fällt es deutlich leichter, diese zu kontrollieren. Zwischen „leichter“ und „leicht“ besteht leider noch eine große Diskrepanz. Wenn man mit derart