Zerstörungsfreie Kontrolle von Einzelatomen

Ein optisches Gitter ist ein periodisches optisches Potenzialfeld (dieses verfügt über räumlich abhängige potenzielle Energie), das durch die Interferenz entgegenkommender Laserstrahlen entsteht. Die Dynamiken ultrakalter Atome in optischen Gittern ähneln sehr stark denen in Solid-State-Systemen, weisen jedoch eine höhere Reinheit, Regelmäßigkeit und Abstimmbarkeit auf. Dies macht optische Gitter zu einem fruchtbaren Testboden für die interessantesten Prognosen in der Quantentechnik.

Durch EU-Unterstützung des Projekts „Quantum control: Manipulating and interfacing selected atoms in optical lattices with light“ (QNDLATTICE) machten sich Wissenschaftler an die Arbeit, Untersuchungen zu ultrakalten Atomen in optischen Gittern mit zerstörungsfreien (Quantum Non-Demolition (QND)) Messungen zu kombinieren. QND-Messungen nutzen die Interaktion von Licht mit den atomischen Zuständen in optischen Gittern. Sie ermöglichen die Beobachtung eines Quantensystems, ohne dieses aufgrund von Interferenzen durch das Messgerät selbst zu ändern.

Die optische Abbildung eines einzelnen Gitterplatzes wurde kurz vor Gewährung der Reintegrationsprämie erreicht, der optische Ansatz ist jedoch kostenintensiv und technisch äußerst anspruchsvoll. Während der Reintegrationsphase fokussierten sich die Forscher auf die QND-Erkennung und -Manipulation im optischen Gitter. Abgesehen davon, dass dieses Verfahren einfacher ist, ist es ebenfalls sensibler, da es eine Geschwindigkeit nutzt, die relativ einfach zu kontrollieren ist.

Aufgrund des Mangels an theoretischem Hintergrundwissen hinsichtlich der Verschmelzung der beiden einzelnen Fachgebiete, entwickelte die QNDLATTICE-Gruppe den erforderlichen Simulationscode. Dies ermöglichte den Wissenschaftlern die Erstellung und Veröffentlichung neuer Architekturen für skalierbare Quantenberechnungen, für die Atomtronik und für die Kontrolle vieler Aggregatszustände unter Anwendung von QND-Messungen. Die Entwicklung eines neuen Lasersystems zur QND-Abbildung ultrakalter Atome führte zur erstmaligen Untersuchung solcher Atome in optischen Gittern unter Nutzung der Faraday-Interaktion (zwischen Licht und einem magnetischen Feld).

Die experimentelle Grundlage und das theoretische Hintergrundwissen zur QND-Manipulation einzelner Plätze in einem optischen Gitter wurden geschaffen. Das Ziel soll innerhalb von einem halben Jahr nach dem Ende des Projekts erreicht werden. Der Zugang zu einer kostengünstigen und relativ einfach zu handhabenden experimentellen Umgebung für die Manipulation der Drehung einzelner Atome wird ein neues Fenster in die Welt der Quanten öffnen. Die Umgebung wird sich in den Händen der besten und talentiertesten Fachkräfte als unschätzbar wertvolles Tool erweisen.