Im Griff der Laserpinzette

"Techniken zur Kühlung und zum Einfang neutraler Atome mit Laserlicht erlauben uns den Aufbau einer Kette von Atomen mit einer Genauigkeit besser als ein Mikrometer. Solche Ketten könnten als skalierbare Speicherelemente für einen Quantencomputer dienen."

So beginnt - sinngemäß - der Beitrag des Bonner Physikers Arno Rauschenbeutels und Kollegen in "Nature". Beim Einfang und Transport einzelner Atome machen sich die Forscher den Umstand zunutze, dass Licht als elektromagnetische Welle eben elektrische Wechselfelder besitzt, die auf bestimmte Partikel anziehend wirken. Arno Rauschenbeutel:
"Das heißt, wenn die die richtige Frequenz haben bezüglich der atomaren Übergänge, dann können Sie so ein Atom auch kleben lassen am Laserstrahl wie Papierschnipsel am Plastiklineal und die Atome werden in die hohen Feldintensitäten hinein gezogen und Sie können damit die Atome festhalten."

Die Bonner Wissenschaftler bremsten zunächst ein größeres Atomkollektiv mit Laserlicht ab. Die so auch abgekühlten, nicht mehr zappeligen Atome wurden dann in einem Netz aus Laserlicht gefangen, allerdings lässt sich die Besetzung der Plätze, an denen die Atome dauerhaft in der Laserwelle verweilen können, nicht steuern. Das besorgte ein weiterer Laserstrahl, der wie eine Pinzette aus Licht einzelne Atome umsetzen kann. Schließlich konnten die Experimentatoren so sieben Cäsiumatome in einer präzisen Reihe anordnen. Diese Techniken seien aber nicht das eigentlich Besondere an der Arbeit der Gruppe am Instituts für Angewandte Physik der Universität Bonn. Rauschenbeutel:

"Das Besondere ist eher, dass wir in der Lage sind, die einzelnen Atome so gut zu beobachten. Es ist halt so, ein einzelnes Atom ist ein Objekt, das nicht sehr viel Licht streut, das heißt, wenn Sie das mit dem Mikroskopobjektiv beobachten wollen, dann müssen Sie sehr viel Aufwand treiben, damit Sie dieses Licht überhaupt sehen können, und damit wir sortieren können, müssen wir ja erst einmal wissen, wo sind denn überhaupt die Atome. Das heißt, wir sind in der Lage, Fotos zu schießen von den Atomen und mit diesen Fotos können wir dann bestimmen, wo befinden sich die Atome und sie umsortieren."

Der experimentelle Aufwand ist beachtlich, die optischen Experimentiertische der Bonner haben das Format von Tischtennisplatten, die mit Hunderten von optischen Elementen - Linsen, Blenden, Filtern, Strahlteilern und anderen raffinierten Dingen mehr - besetzt sind, mit Lasern sowieso. Die Experimente sind so komplex, dass zu ihrer Durchführung ein ganzes Team vonnöten ist. Und das ist dann in der Lage, Materiezustände herzustellen, die in der Natur so nicht vorkommen, nie vorgekommen sind, Muster von Atomen, die in einem Lichtnetz hängen, exotischen Molekülen ähnlich. Rauschenbeutel:

"Sie können mit solchen Quantensystemen physikalische Systeme modellieren, selbst wenn Sie nur hundert Atome haben, können Sie damit schon Dinge simulieren, die Sie mit einem klassischen Computer nur sehr schwer oder gar nicht modellieren können."

Nächstes Ziel der Bonner Physiker ist der Aufbau eines Quantengatters, des Grundelementes für einen rechnenden Quantencomputer, indem zahllose Rechenschritte zugleich, fachsprachlich "massiv parallel" ablaufen sollten. Das Gatter soll aus zwei einzelnen Cäsiumatomen bestehen, die zwischen zwei Spiegeln eingesperrt sind und mittels Licht Informationen austauschen. Diese Art "Quantenengineering", räumt Rauschenbeutel gerne ein, sei schon eine verblüffende Entwicklung:

"Noch 1952 sagte Schrödinger, dass wir mit einzelnen Atomen und Elektronen genauso wenig experimentieren können wie wir Ichthyosaurier im Zoo züchten können - und heute spielen wir damit!"