Atom-Licht-Grenzflächen als Schlüssel zur Quantentechnologie
Im Alltag steuern und manipulieren wir Licht routinemäßig mit Spiegeln, Glasfaserkabeln und weiteren Werkstoffen, um Informationen zu übermitteln und andere Aufgaben zu erfüllen. Die Wissenschaft interessiert sich zunehmend dafür, was passiert, wenn wir auf atomarer Ebene mit Licht interagieren. „In dieser Größenordnung werden die Wechselwirkungen durch die Quantenmechanik bestimmt, die ein Verhalten bewirken kann, das sich von dem unterscheidet, was wir aufgrund unserer alltäglichen Erfahrungen erwarten“, erklärt der Koordinator des Projekts DAALI, Darrick Chang vom Institut für Photonikwissenschaften in Spanien. „Es besteht großes Interesse an dem Thema, wie diese Wechselwirkungen bei Informationsverarbeitungs- und Rechentechnologien, die auf Quantenmechanik beruhen, von Nutzen sein könnten.“
Bausteine für Quanteninformationstechnologien
Diese Forschungsarbeiten befinden sich noch in einem Frühstadium. „So scheitert zum Beispiel das beste bisher demonstrierte Photonengatter, das als ein grundlegender Baustein zur Umsetzung von Quantenlogik und Quanteninformationsverarbeitung gilt, immer noch häufiger, als es gelingt“, sagt Chang. Im Rahmen des Projekts DAALI wurde daher versucht, höhere Wirkungsgrade für Atom-Licht-Wechselwirkungen zu erzielen. Zu diesem Zweck konzentrierte sich das Projektteam auf zwei relativ neue und interessante Ansätze. „Der erste bestand darin, bahnbrechende Plattformen zu entwickeln, die auf Grenzflächen von Atomen mit nanophotonischen Bauelementen basieren“, erklärt Chang. „Nanophotonische Systeme bieten ein hervorragendes Potenzial in Hinsicht auf die Skalierbarkeit, während die Fähigkeit, Licht auf kleine Bereiche zu beschränken, es uns ermöglicht, uns den ultimativen Grenzen der Atom-Licht-Wechselwirkungsstärken anzunähern.“ Das zweite Projektziel lautete, leistungsfähige neue Prinzipien für die Licht-Materie-Wechselwirkungen auszunutzen, insbesondere geordnete Anordnungen von Atomen anzuwenden. „Mit dichten, geordneten Arrays können wir starke Interferenzeffekte bei der Lichtstreuung ausnutzen“, fügt Chang hinzu. „Bislang war es jedoch schwierig, experimentelle Plattformen mit perfekten Atomanordnungen zu entwickeln.“
Durchführung komplexer Quantenaufgaben
Seitens der Nanophotonik konnte das Team einzelne Atome an Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren koppeln und komplexere Quantenaufgaben realisieren, als es bisher möglich war. Auch bei der Implementierung einer neuartigen Grenzfläche, bei der Atome an photonische Kristallwellenleiter gekoppelt werden, wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Das Projektteam hat neue Wege erdacht, um perfekte Atomarrays für quantenoptische Anwendungen zu realisieren. „Das Team entwickelte das erste ‚Quantengasmikroskop‘ für Strontiumatome“, berichtet Chang. „Dabei handelt es sich um eine potenziell leistungsstarke Plattform nicht nur für die Quantenoptik, sondern auch für andere Bereiche der Quantenwissenschaft wie beispielsweise die Quantensimulation.“ Das Team entwickelte außerdem Theorien zur Realisierung kurzer perfekter Ketten aus Atomen, die an ein nanophotonisches System gekoppelt sind, basierend auf dem „Rauswurf“ von Atomen, die nicht zu einer perfekten Kette gehören.
Quanten-Atom-Licht-Grenzflächen verbessern
Diese Erkenntnisse könnten erhebliche Einfluss auf die Quantentechnologien ausüben. „Licht ist die einzige natürliche Möglichkeit, Informationen über große Entfernungen zu übermitteln“, erklärt Chang. „Die Verbesserung der Quanten-Atom-Licht-Grenzflächen dürfte daher ein Eckpfeiler jeder Quantenrevolution sein.“ Es wird noch einige Zeit dauern, bis diese Systeme, zum Beispiel durch die Implementierung eines die bisherigen Ansätze übertreffenden Photonengatters, voll funktionsfähig sein werden. Chang und sein Team glauben jedoch fest an das Potenzial dieser neuen Systeme und sind zuversichtlich, dass in den nächsten Jahren, verbunden mit weiteren Anstrengungen, ein besseres Photonengatter in den Bereich des Möglichen rücken wird. „In den typischen Quantenoptiklehrbüchern von heute wird die Theorie der Wechselwirkungen von Atomanordnungen oder von an nanophotonische Bauelemente gekoppelten Atomen mit Licht nicht erwähnt“, ergänzt Chang. „Meine Hoffnung ist, dass solche Systeme die Art und Weise verändern werden, wie wir Atom-Licht-Grenzflächen aufbauen und darüber nachdenken, was wir mit ihnen anfangen können. Wenn das geschieht, müssen wir die Bücher neu schreiben!“
Schlüsselbegriffe
DAALI, Atom-, Quanten-, Technologien, Atome, Photonen, nanophotonisch
