Das Einfangen und Kontrollieren von Atomen ist eine der technischen Grundlagen, um ihre quantenmechanischen Eigenschaften zu nutzen – beispielsweise für abhörsichere Kommunikation in Quantennetzwerken oder beim Quantencomputing. Viele neuartige Quantenbauelemente setzen dafür auf eine Verschaltung von Atomen mit Hilfe von Licht: So werden Atome beispielsweise in der Nähe winziger lichtleitender Strukturen eingefangen und gehalten, um eine effiziente Kommunikation zwischen den Quantenteilchen zu ermöglichen. Bislang waren mehrere Laserstrahlen notwendig, um die Atome in solchen nanophotonischen Systemen an Ort und Stelle zu halten.

Neuer Ansatz kombiniert Licht und natürlich auftretende elektrostatische Kräfte

Die Arbeitsgruppe „Grundlagen der Optik und Photonik“ von Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) hat nun eine einfachere und grundlegend andere Methode entwickelt. Die Forscher fangen mit Laserlicht heruntergekühlte Atome mithilfe einer Kombination aus Licht und natürlich auftretenden elektrostatischen Kräften ein und halten diese in der Nähe einer ultradünnen Glasfaser (100-mal dünner als ein Haar) fest. Mit diesem Ansatz gelang es ihnen, die Stabilität und Kohärenz der eingefangenen Atome im Vergleich zu vorangegangenen Experimenten erheblich zu verbessern: Die Atome blieben doppelt so lange in der „Falle“ und die Quanteninformation konnte zehn Mal so lange gespeichert werden. Die Studie, in der die Forscher den neuen experimentellen Ansatz demonstrieren, wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.

In Atomen gespeicherte Quanteninformationen bleiben länger erhalten

Für ihren Ansatz setzen die Quantenforscher nicht auf Laserlicht, um Atome zur ultradünnen Glasfaser zu ziehen. Sie machen sich in ihrem Experiment die elektrostatischen Kräfte zunutze, die ganz natürlich an der Oberfläche der Glasfaser auftreten. In ihrer Studie demonstrieren sie, wie die Oberflächenkräfte die Atome anziehen, während diese durch ein zusätzliches Laserfeld sanft von der Oberfläche wegdrückt werden – und so ein stabiler Einfangbereich geschaffen wird. Obwohl die so entstehende Falle die Atome weniger stark einschließt als herkömmliche Fallen, gelang es dem Team, Atome so effizient dorthin zu transferieren, dass kaum ein Atom verlorenging. Einmal in der Falle angekommen, blieben die Atome überraschend lange „gefangen“ und behielten ihre Quanteneigenschaften weitaus besser bei als in bisherigen Experimenten mit solchen nanophotonischen Systemen. Die Verbesserung beruht darauf, dass die Atome die meiste Zeit in Bereichen mit sehr wenig Licht gehalten werden. Dies reduziert Störungen, die empfindliche Quantenzustände beeinträchtigen können, sodass die in den Atomen gespeicherten Quanteninformationen länger erhalten bleiben.

„Leistungsstarkes neues Werkzeug zur Kontrolle von Quantenteilchen“

„Die Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten, die Wechselwirkungen von Atomen mit Oberflächen auf extrem kleinen Skalen zu untersuchen, und führt Oberflächenkräfte als leistungsstarkes neues Werkzeug zur Kontrolle von Quantenteilchen ein. Wir glauben, dass die Technik dazu beitragen könnte, zukünftige Quantenspeicher, Quantenkommunikationsnetzwerke und andere Technologien zu verbessern, die auf langlebigen Quantenzuständen beruhen“, erläutert Dr. Riccardo Pennetta, Erstautor der Studie und Postdoc in der Arbeitsgruppe „Grundlagen der Optik und Photonik" am Institut für Physik der HU. Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel, Leiter der Arbeitsgruppe, ergänzt: „Indem die Studie zeigt, dass Oberflächenkräfte nicht stören, sondern genutzt werden können, gibt sie eine neue Richtung für die Entwicklung von Quantenbauelementen vor. Dies wird die optische Quantentechnologie in Zukunft sowohl einfacher als auch robuster machen.“

Fachartikel in Nature Photonics: „Hybrid Nanophotonic Trap for Cold Atoms Using Surface Forces and a Blue-Detuned Evanescent Field “