Atomare Verunreinigung als Quanten-Informationsspeicher

Für die Leistungsfähigkeit moderner Halbleiter sind Verun­reini­gungen in Materi­alien ursäch­lich. Ähn­liches gilt für Quanten­systeme, wo es aber kaum erforscht ist. Erst­mals konnten Forscher der TU Kaisers­lautern jetzt kontrol­liert ein­zelne Verun­reini­gungen aus Cäsium-Atomen in ein ultra­kaltes Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-Atomen ein­bringen. Sie haben beob­achtet, wie die Verun­reini­gungen quanten­mecha­nische Anregungen mit dem Gas aus­ge­tauscht haben. Zudem haben sie gezeigt, dass die Cäsium-Atome Quanten-Informa­tion speichern können.

„Ein solches Kondensat ist ein perfekter quanten­mecha­nischer Zustand, der sich wie eine Welle verhält“, erläutert Artur Widera von der TU Kaisers­lautern. Widera und seine Mit­arbeiter kühlten das Quanten­gas auf Tempe­ra­turen nahe dem abso­luten Null­punkt ab. „Auf diese Weise können wir ein quanten­mecha­nisches System kon­trol­lieren“, sagt Team-Mitglied Felix Schmidt. Als Verun­reini­gung haben die Forscher Cäsium-Atome ein­ge­setzt. Auf etwa zehn­tausend Rubidium-Atome sind dabei fünf bis zehn Cäsium-Atome gekommen. „Das System lässt sich unter einem Mikro­skop unter­suchen. Das ultra­kalte Gas hat eine Größe von zehn Mikrometern“, sagt Schmidt. So haben die Forscher einzelne Verunreinigungen lokalisiert und die Änderung des Spins durch die Wechsel­wirkung mit dem Quanten­gas beob­achtet. „Bis­lang war es nicht möglich, ein­zelne Atome in einem solchen Gas zu beob­achten. Es freut uns, dass es uns im Experi­ment gelungen ist“, so Schmidt.

Weiterhin haben die Forscher überprüft, ob sich die Cäsium-Atome als Informationsspeicher nutzen und gleichzeitig im Quantengas kühlen lassen. „Damit Atome Information speichern, muss ihr elektronischer Zustand erhalten bleiben“, erläutert Widera. „Da es aber im Kondensat mit den anderen Atomen zu Wechselwirkungen kommt, besteht das Risiko, dass sie durch Stöße die empfindlichen Informationen verlieren.“ Den Forschern ist es erstmals gelungen, die Atome stark in dem Quantengas zu kühlen, ohne dass Quanten-Informationen verloren gehen.

„Das Modell aus einzelnen Verunreinigungen in einem ultrakalten Gas realisiert ein Paradigma der Quantenphysik“, sagt Widera. „Es kann als Ausgangspunkt für eine Vielzahl anderer Quanten-Experimente dienen.“ Insbesondere helfen die Erkenntnisse, besser zu verstehen, was auf der Quantenebene geschieht. Das könnte zum Beispiel künftig eine Rolle spielen, um Supraleiter zu verstehen und neue Materialien zu entwickeln.

TU Kaiserslautern / RK