Weiterer Schritt auf dem Weg zu Quantencomputern

Forscher der Technischen Universität München haben eine extrem starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erzielt, die ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Quanten-Computern sein könnte.

Die starke Kopplung von Quanten-Bits mit Lichtquanten wird als Schlüsselprozess für die Konstruktion solcher Rechner angesehen. Die nun erreichte Wechselwirkung zwischen Mikrowellen-Photonen und den Atomen eines nanostrukturierten Schaltkreises sei zehnmal stärker als die bisher für solche Systeme erzielten Werte, teilten die Forscher mit.


Für ihre Messungen fingen die Wissenschaftler ein Photon in einem Resonator ein. Dieser besteht aus einer supraleitenden Niob-Leiterbahn, die an beiden Enden mit für Mikrowellen sehr gut reflektierenden Spiegeln ausgestattet ist. In ihn wird ein aus einem Aluminium-Schaltkreis bestehendes Atom so platziert, dass es mit dem Photon wechselwirken kann.

Die stärksten Wechselwirkungen erzielten die Forscher, indem sie ein weiteres supraleitendes Bauteil in ihren Schaltkreis einfügten, einen so genannten Josephson-Kontakt. Die gemessene Wechselwirkungsstärke erreichte bis zu zwölf Prozent der Resonatorfrequenz. Sie ist damit zehnmal stärker als bisher in anderen Systemen gemessene Wechselwirkungen.

Doch mit dem Erfolg schufen die Wissenschaftler aber auch ein neues Problem: Bisher beschrieb die schon 1963 entwickelte Jaynes-Cummings-Theorie alle beobachteten Effekte gut. Im Gebiet der ultrastarken Wechselwirkungen scheint sie jedoch nicht mehr zu gelten.

"Die Spektren sehen so aus, als hätten wir es hier mit einem völlig neuen Objekt zu tun", sagt Professor Rudolf Gross von der TU München. "Die Kopplung ist so stark, dass das Atom-Photon-Paar als eine neue Einheit betrachtet werden muss, eine Art Molekül aus einem Atom und einem Photon." Dies genauer zu untersuchen, wird Experimentalphysiker und Theoretiker noch eine Weile beschäftigen.