26.10.2022

Nanofasern mit aufgereihten Superatomen

Europäische Förderung für Projekt der Wellenleiter-Quantenelektrodynamik.

Sowohl ein zukünftiges abhör­sicheres Quanten-Internet als auch der Quanten­computer verwenden Prinzipien und Methoden der Quantenoptik. Diese wissen­schaftliche Disziplin beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Photonen mit Quantenemittern wie Atomen oder Molekülen. Besondere Fortschritte gab es zuletzt auf dem Gebiet der nicht­linearen Quanten­optik. Dort untersucht man Photonen, die sich ähnlich wie elektrisch geladene Teilchen anziehen oder abstoßen. Die dabei gewonnenen Erkennt­nisse bringen das grundlegende Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung voran und könnten es ermöglichen, zentrale Bauelemente für die Quanten­kommunikation und Quanten­informations­verarbeitung zu realisieren. Allerdings beein­flussen sich Photonen unter normalen Umständen nicht. Will man das ändern, muss man gewisser­maßen dafür sorgen, dass sie sich nicht aus dem Weg gehen können und sich gleichzeitig an ein und demselben Atom treffen.

Abb.: Illustration einer verjüngten Glasfaser mit Nanofaser-Taille, an die...
Abb.: Illustration einer verjüngten Glasfaser mit Nanofaser-Taille, an die eine Reihe von Superatomen gekoppelt ist. (Bild: HUB)

Dieser Aufgaben­stellung wird sich das Forschungsprojekt „Superatom Waveguide Quantum Electro­dynamics“ (SuperWave) für die nächsten sechs Jahre widmen. SuperWave erhält einen renommierten Synergy Grant des Europäischen Forschungs­rats (ERC) und wird mit mehr als acht Millionen Euro gefördert. Koordiniert wird das Projekt von Arno Rauschen­beutel vom Institut für Physik der Humboldt-Universität sowie seinen Kollegen Sebastian Hofferberth von der Universität Bonn und Thomas Pohl von der Universität Aarhus. Das Projektteam vereint das Fachwissen und die Methoden von drei Forschungs­gruppen, die bisher individuell zu Fragen der Quantenoptik geforscht haben. „Das ist eine großartige Auszeichnung! Der ERC Synergy Grant wird es uns ermöglichen, gemeinsam mit den Teams aus Aarhus und Bonn ein neues Forschungs­feld ins Leben zu rufen und dieses voranzutreiben“, sagt Arno Rauschenbeutel. „Da schon vorher ein reger Austausch und Zusammen­arbeit zwischen uns dreien stattfand, bin ich mir sicher, dass wir viel Freude beim gemeinsamen Forschen haben werden.“

In SuperWave geht es darum, Photonen durch optische Nanofasern zu leiten, entlang derer Superatome aufgereiht sind. Solche Glasfasern nutzt Arno Rauschenbeutel in seiner Arbeitsgruppe, um geführte Photonen mit gewöhnlichen Atomen wechselwirken zu lassen. Dies ermöglichte wegweisende Experimente im Feld der Wellen­leiter-Quanten­elektrodynamik. Um die Wahrscheinlichkeit der Atom-Photon Wechsel­wirkung weiter zu erhöhen, kommt bei SuperWave nun ein Trick zum Einsatz, der von Sebastian Hofferberth perfek­tioniert wurde. Er erlaubt es, einige tausend Atome in einer optischen Pinzette dazu zu bringen, sich so zu verhalten, wie ein einziges riesiges Atom.

Dieses Superatom ist größer als der Querschnitt der Nanofaser, sodass die Photonen nicht mehr an ihm vorbeikönnen. Was sich einfach anhört, birgt allerdings eine ganze Reihe von Herausforderungen. Um diese zu meistern, baut das Forscher-Team auf die langjährige Expertise von Thomas Pohl, der sich aus theoretischer Sicht mit Superatomen und Wellen­leiter-Quanten­elektrodynamik befasst und viele Ideen und Konzepte zu den beiden Feldern beigetragen hat. „Der Synergy Grant für Arno Rauschenbeutel und sein Team ist in der Tat eine großartige Nachricht für Berlin“, sagt Christoph Schneider, Vize­präsident für Forschung der Humboldt-Universität zu Berlin.

Diese Forschung könnte Berlins Position als wichtiger Standort für die Entwicklung und Nutzung von Quanten­technologien stärken. Das SuperWave-Projekt ergänzt die Forschung der Berlin Quantum Alliance und der Einstein Research Unit zu Quanten­prozessoren und –computern, die beide an der Berlin University Alliance angesiedelt sind. Mit der Berlin Quantum Alliance, die kurz vor ihrem Start steht, unterstützt das Land Berlin Projekte im Bereich der Quanten­technologie und des Quanten­computings über einen Zeitraum von fünf Jahren mit insgesamt 25 Millionen Euro.

HU Berlin / JOL

Weitere Infos

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Meist gelesen

Themen