Drei Weltrekorde in der Quantenphysik

Quantensimulatoren bilden Quantensysteme für die Forschung nach und sind die Vorstufe zukünftiger Quantencomputer. „Eine große Herausforderung bei der Entwicklung leistungsfähiger Quantensimulatoren war, dass Rydberg-Atome sehr empfindlich sind und nur sehr kurze Zeit stabil bleiben. Wir haben diese Herausforderung überwunden und es geschafft, die Stabilität der Atome um das Zwanzigfache zu erhöhen“, sagt Prof. Dr. Tilman Pfau, Leiter des 5. Physikalischen Instituts.

Rydberg-Atome sind wichtige Bausteine für Quantentechnologien mit Neutralatomen, also Atomen ohne elektrische Ladung, die mit Laserlicht eingefangen und kontrolliert werden können. Sie sind mehrere tausend Mal größer als normale Atome und können deshalb über ungewöhnlich große Entfernungen von etwa 5 μm miteinander wechselwirken. Dies entspricht rund einem Zehntel der Dicke eines menschlichen Haars, ist aber in der winzigen Welt der Atome eine riesige Entfernung.

Rekordwerte für Lebensdauer, Größe und Speicherzeit erreicht

„Wir konnten gleich drei internationale Bestmarken aufstellen: die längste bisher gemessene Lebensdauer einzelner Rydberg-Atome, die größten kontrollierten zirkularen Rydberg-Atome und die längste Speicherung solcher Atome in einer optischen Pinzette“, erklärt Dr. Florian Meinert, Gruppenleiter am 5. Physikalischen Institut.

Um dies zu erreichen, zwangen die Forschenden das hoch angeregte Elektron im Rydberg-Atom auf eine Kreisbahn, die über 11 ms stabil blieb, also mehr als zwanzigmal länger als vergleichbare Zustände im freien Raum. Die Elektronen bewegen sich dabei auf Bahnen, die mit einem Durchmesser von rund 1,1 μm etwa zehntausendmal größer sind als bei gewöhnlichen Atomen. Zudem konnten die Forschenden die Atome mithilfe eines Laserstrahls 133 ms lang festhalten – ebenfalls ein neuer Rekord. „Diese Bestmarken eröffnen neue Möglichkeiten, Quantensimulatoren leistungsfähiger zu machen, mehr Rechenoperationen durchzuführen und Quantensysteme präziser zu kontrollieren“, sagt Einius Pultinevicius, Doktorand in Meinerts Team.

Bemerkenswert: Ergebnisse bei Raumtemperatur erzeugt

„Besonders bemerkenswert ist, dass wir diese Rekord-Ergebnisse bei Raumtemperatur erzielt haben – ganz ohne die bisher übliche Kühlung mit kostspieligem flüssigen Helium“, erläutert Meinert. Hierfür entwickelten die Forschenden ein physikalisches Konzept aus den 1980er-Jahren weiter - die Abschirmung störender Wärmestrahlung mithilfe spezieller Metallwände. Denn auch bei normaler Raumtemperatur ist die Umgebung nicht völlig „ruhig“: Jede Oberfläche sendet eine unsichtbare Mikrowellenstrahlung aus, die empfindliche Rydberg-Atome destabilisieren kann. Deshalb wurden solche Experimente bisher in komplexen Kühlsystemen durchgeführt.

Das Team platzierte die Atome zwischen zwei transparenten, elektrisch leitfähigen Platten, die die störenden Mikrowellen unterdrücken. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass extrem langlebige Rydberg-Atome auch bei Raumtemperatur möglich sind. Wir haben eine bekannte physikalische Idee so weit perfektioniert, dass sie für moderne Quantenplattformen nutzbar wird,“ erklärt Florian Meinert.

Stabilität ist die Voraussetzung für leistungsfähigere Quantencomputer

„Für die Entwicklung zukünftiger Quantensimulatoren und Quantencomputer könnten diese Fortschritte eine wichtige Rolle spielen“, betont Tilman Pfau. Neutrale Atome in optischen Pinzetten zählen heute zu den vielversprechendsten Plattformen für skalierbare Quantensimulatoren. Die hohe Stabilität der Rydberg-Atome ermöglicht es, Quanteninformationen länger zu erhalten und Wechselwirkungen zwischen Atomen gezielter zu nutzen. Die Forschenden erwarten, dass dadurch Quantencomputer möglich werden, die länger rechnen können und weniger fehleranfällig sind. Mit den erreichten Rekorden besitzt die Universität Stuttgart eine weltweit einzigartige Experimentierplattform für zirkulare Rydberg-Atome. Die Forschenden wollen diese künftig nutzen, um neuartige Quantencomputer, Quantensimulatoren und hochpräzise Quantensensoren zu entwickeln.