Quantencomputer: Mikrowellen dirigieren Ionen

Physiker der Universitäten Ulm und Siegen haben eine Möglichkeit gefunden, Quantenzustände von Ionen durch Mikrowellenstrahlung zu stabilisieren. Die neuen Erkenntnisse könnten beispielsweise ein Baustein auf dem Weg zum leistungsfähigen Quantencomputer sein. "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", erklärte Humboldt-Professor Martin Plenio. Bereits vor zehn Jahren habe der Mitautor der jüngsten Publikation, Christof Wunderlich von der 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, muss den Ionen ein Takt vorgeben werden. Diese Rolle haben die Wissenschaftler zusätzlichen Mikrowellen, also oszillierenden elektromagnetischen Feldern, zugewiesen, die in Ionenfallen integriert werden können. Dadurch wurden Zufälligkeiten in den Elektronen-Ionen-Wechselwirkungen erfolgreich 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, die ihre Erkenntnisse nun gemeinsam im renommierten Wissenschaftsmagazin 'Nature' veröffentlichten.