Eine internationale Forschungskollaboration am Paul Scherrer Institut schaffte es erstmals, den optischen Magnus-Effekt experimentell nachzuweisen. Dabei richteten die Forschenden einen stark gebündelten Laserstrahl auf ein einzelnes Ion und beobachten die daraus resultierende Wechselwirkung. Wie sie zeigen konnten, ist das Maximum dieser Wechselwirkung seitlich verschoben – eine wichtige Erkenntnis für die Entwicklung von Quantencomputern, bei denen Laserlicht zur präzisen Steuerung von Qubits zum Einsatz kommt.
Richtet man einen stark fokussierten Laserstrahl auf ein Ion, so würde man die stärkste Wechselwirkung dort erwarten, wo der Laserstrahl am intensivsten ist: in seinem Zentrum. Doch durch die starke Bündelung des Lasers verändert sich auch die räumliche Struktur seines elektromagnetischen Feldes. Das führt dazu, dass die Wechselwirkung mit dem Ion nicht mehr genau im Zentrum des Laserstrahls am stärksten ist, sondern ein kleines Stück seitlich davon.
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Und genau diese unerwartete Verschiebung kann in Quantencomputern zum Verlust von Kontrolle führen. Denn dort wird Laserlicht eingesetzt, um den Zustand von Qubits gezielt zu verändern. Der optische Magnus-Effekt kann diese präzise Steuerung beeinträchtigen und dadurch zu Fehlern beitragen, wenn er nicht berücksichtigt wird.
Zugleich steckt in diesem Effekt auch eine Chance: „Die dabei entstehenden Kräfte könnten genutzt werden, um Qubits miteinander zu koppeln und so komplexere Berechnungen zu ermöglichen“, erklärt Philip Leindecker vom Zentrum für Photonenforschung des PSI und vom Departement Physik der ETH Zürich.
Um den optischen Magnus-Effekt sichtbar zu machen, nutzten die Forschenden ein einzelnes Kalzium-Ion als eine Art winzige und äußerst empfindliche Sonde. Das elektrisch geladene Atom wird dabei in einer Ionenfalle nahezu bewegungslos an einer bestimmten Position festgehalten. Solche gefangenen Ionen kommen auch in Quantencomputern zum Einsatz: Dort können sie als Qubits dienen, deren Quantenzustand sich mithilfe von Laserlicht gezielt verändern lässt.
Für ihr Experiment untersuchten die Forschenden, wie stark das Kalzium-Ion an verschiedenen Stellen mit dem Licht eines stark fokussierten Lasers wechselwirkt. „Unser Ion funktioniert dabei wie ein winziger Sensor, den wir nutzen können, um die Struktur des Laserlichts abzutasten“, erklärt Leindecker. „Damit wird eine Verschiebung messbar, die lediglich einige Hundert Nanometer beträgt.“ Dabei zeigte sich auch eine überraschende Eigenschaft des Effekts: Die Größe der Verschiebung hängt allein von der Lichtwellenlänge ab und nicht davon, wie stark der Laser fokussiert ist.
Den optischen Magnus-Effekt hatten Forschende der Universität Amsterdam bereits einige Jahre zuvor theoretisch vorhergesagt. Mit dem gefangenen Kalzium-Ion gelang es dem Team nun erstmals, ihn zu beobachten und genauer zu charakterisieren. [PSI / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
P. Leindecker, L. P. H. Gallagher, E. Brucke, et al., Direct Observation of the Optical Magnus Effect with a Trapped Ion, Phys. Rev. Lett. 137, 063202, 6. August 2026; DOI: 10.1103/kj5p-qqs5 - Hybrid Quantum Systems Group (Yiwen Chu), Institut für Quantenelektronik, Departement Physik, ETH Zürich
- Zentrum für Photonenforschung, PSI, Villigen
