Quantenbits in der Falle

Einzelne Atome mit h?chster Pr?zision kontrollieren und daraus Quantensysteme aufbauen: Das ist das Ziel von Homes 13-k?pfigen Forschungsteam. Sein Labor befindet sich am Institut f¨¹r Quantenelektronik auf dem ±Ø²©¹ÙÍø,±Ø²©ÌåÓý H?nggerberg. Ein anderthalb Meter hoher, schwarzer Kasten, der einen Laser enth?lt, ist Ausgangspunkt der Experimente. Darin steckt die gleiche Technik, die f¨¹r moderne Atomuhren gebraucht wird. ?Wir messen hier aber nicht die Zeit?, erkl?rt der Physiker: ?Wir verwenden die Atome als Quantenbits und interessieren uns daf¨¹r, was passiert, wenn wir diese Kerle miteinander verbinden, wenn also ein geladenes Atom ein anderes anschubst .? Dies passiert in einer sogenannten Ionenfalle, die im Raum nebenan aufgebaut ist.

K¨¹hlen mit Laserlicht

Dort stehen auf einem grossen Tisch unz?hlige Spiegel, Linsen und Kristalle. Sie lenken Laserstrahlen verschiedenster Frequenzen auf die Ionenfalle, die im hinteren Teil des Raums in einer runden Kammer steckt. Weil das Herzst¨¹ck von Auge nicht zu sehen ist, zeigt Jonathan Home eine noch nicht eingebaute, kleine Leiterplatte, auf der ein zentimetergrosses Metallquadrat montiert ist. ?In der Mitte hat es einen Schlitz, der 10 bis 100 Mikrometer breit ist; das ist eine Ionenfalle?, erkl?rt er. Darin sitzen in einem Vakuum einzelne geladene Kalzium- oder Berylliumatome, umgeben von winzigen Goldelektroden, mit deren Hilfe diese Ionen entlang des Schlitzes bewegt werden k?nnen.

Das Laserlicht dient unter anderem zur K¨¹hlung der Ionen. Damit l?sst sich einem einzelnen Teilchen Bewegungsenergie entziehen. Mit massgeschneiderten Laserpulsen kann ein Ion so stark abgek¨¹hlt werden, dass es seinen quantenmechanischen Grundzustand erreicht. In ihrem neusten Versuch wollten die Forscher aber keinen einzelnen Quantenzustand erzielen, sondern eine ?berlagerung mehrerer, spezieller Zust?nde. ?Dazu modifizierten wir die K¨¹hlung?, sagt Jonathan Home. Ein ausgekl¨¹geltes System von Laserstrahlen verschiedener Frequenzen wurde durch eine im Labor entwickelte Elektronik gesteuert.

Stabil ¨¹bers Wochenende

Das R¨¹stzeug zur Durchf¨¹hrung dieser raffinierten Experimente holte sich Jonathan Home unter anderem in den USA bei Nobelpreistr?ger David Wineland am renommierten National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, wo er nach seiner Ausbildung an der Universit?t Oxford t?tig war. Zusammen mit Studienkollegen engagierte er sich vor zehn Jahren auch f¨¹r ein Bibliotheks- und Ausbildungsprojekt in Ruanda. Punkto Physik sei das Unterfangen nicht sehr erfolgreich gewesen, gibt er offen zu: ?Aber emotional war der Aufenthalt in Ruanda eine wichtige Erfahrung.?

Gern w¨¹rde Jonathan Home wieder einmal nach Afrika zur¨¹ckkehren. Zurzeit freut er sich allerdings nicht besonders ¨¹ber Einladungen und Reisen ins Ausland. Denn vor gut einem Jahr hat seine Frau ihr erstes Kind geboren. Seither hat die Familie Vorrang und auch die Geige, auf der er als Teenager t?glich zwei Stunden ge¨¹bt hat, bleibt im Kasten. Doch der junge Physikprofessor will sich keineswegs ¨¹ber zu viel Arbeit beklagen: ?Ich habe einen Superjob?, sagt er begeistert. Die ETH biete ihm ein ideales Umfeld, um seine anspruchsvolle Forschung durchzuf¨¹hren. Dabei k?nne er auch auf die enthusiastische Unterst¨¹tzung durch technisches Personal z?hlen. ?Solche Fachleute fehlen an den meisten anderen Unis?, sagt er.

Und wie wird er den naturwissenschaftlichen Laien an der TED-Konferenz die Funktionsweise eines Quantencomputers erkl?ren? ?Wir k?nnen diese Atome gleichzeitig in zwei Zust?nde versetzen, wobei sich jedes wie eine kleine Uhr verh?lt, bei der wir aber die Zeit pr?zis kontrollieren k?nnen?, erkl?rt der Physiker. Man kann eine Unmenge Zahlen in dieses System stecken und sie gleichzeitig verarbeiten. Doch wie erkennt man das richtige Resultat? Dazu k?nne man wiederum an Wellen denken, die sich ¨¹berlagern, sagt Jonathan Home: ?Wenn Sie ans Meer gehen und sehen eine Wellenspitze aus dem Wasser herausragen, dann entspricht dies der L?sung des Problems.?