Zusammenfassung:
Das Forschungsteam des Sechsten Instituts für Physik der Universität Stuttgart in Deutschland gab bekannt, dass es gleichzeitig drei Weltrekorde an einem speziellen Quantensystem namens „zirkuläres Rydberg-Atom“ aufgestellt hat, einschließlich Atomleben, Atomgröße und Verweilzeit in einer Laserfalle. Forscher gehen davon aus, dass dieser Durchbruch die Entwicklung leistungsstarker Quantensimulatoren vorantreiben und den Grundstein für den Bau leistungsfähigerer Quantencomputer in der Zukunft legen wird.
Quantensimulatoren können das Verhalten komplexer Quantensysteme in einer kontrollierten Umgebung reproduzieren und sind eine wichtige Plattform für die Erforschung neuer Quantenphänomene und die Verifizierung der Quantencomputertechnologie. Rydberg-Atome gelten seit langem als vielversprechende Kandidateneinheiten in den Bereichen Quantensimulation und Quantencomputing. Sie reagieren jedoch äußerst empfindlich auf die Umgebung und können oft nur für sehr kurze Zeit stabil bleiben. Dies ist auch zu einem der Haupthindernisse geworden, die die Entwicklung verwandter Technologien einschränken.
Tilman Pfau, Leiter des Forschungsteams, sagte, dass die Verbesserung der Stabilität von Rydberg-Atomen schon immer eine zentrale Herausforderung bei der Entwicklung leistungsstarker Quantensimulatoren gewesen sei. Dem Team gelang es, die atomare Stabilitätszeit auf das Zwanzigfache des vorherigen Niveaus zu steigern und so günstigere Bedingungen für spätere Anwendungen der Quantentechnologie zu schaffen.
Das sogenannte Rydberg-Atom bezeichnet eine Atomstruktur, in der Elektronen auf hochenergetische Bahnen vom Kern weg angeregt werden. Da sich der Abstand zwischen Elektronen und Kern stark vergrößert, kann die Größe solcher Atome das Tausendfache der Größe gewöhnlicher Atome erreichen. Die größere Größe ermöglicht Quantenwechselwirkungen mit benachbarten Atomen über größere Entfernungen, eine Eigenschaft, die für den Aufbau und die Steuerung von Quantensystemen wichtig ist.
Forscher sagten, dass der Wechselwirkungsabstand zwischen Rydberg-Atomen etwa 5 Mikrometer erreichen kann, was etwa einem Zehntel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Obwohl es im Alltagsmaßstab noch extrem klein ist, ist es in der atomaren Welt schon ziemlich weit weg. Dies ist einer der Gründe, warum die Neutralatom-Quantentechnologie Rydberg-Atome bevorzugt. Diese Art von Technologie ermöglicht die Verarbeitung von Quanteninformationen durch das Einfangen und Manipulieren ungeladener Atome mit Laserstrahlen.
Das Forschungsobjekt des Teams sind dieses Mal kreisförmige Rydberg-Atome. In diesem Zustand bewegen sich die angeregten Elektronen auf einer nahezu kreisförmigen Bahn um den Kern. Im Experiment gelang es den Forschern, eine Elektronenbahn mit einem Durchmesser von etwa 1,1 Mikrometern zu konstruieren, was etwa 10.000 Mal größer ist als die Elektronenbahn gewöhnlicher Atome.
Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelte das Team eine spezielle experimentelle Plattform, um extrem stabile Riesenatome bei Raumtemperatur zu erzeugen, indem Störungen durch Schwarzkörperstrahlung in der Umgebung unterdrückt werden. In der Vergangenheit waren für ähnliche Experimente häufig teure und komplexe Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen erforderlich. Dieser Erfolg wurde jedoch unter milderen Bedingungen erreicht, was die Praktikabilität der Technologie weiter verbesserte.
Während des Experiments stellten die Forscher erfolgreich drei internationale Rekorde auf. Zunächst maßen sie die längste Lebensdauer, die jemals für ein einzelnes rundes Rydberg-Atom gemessen wurde. Indem die angeregten Elektronen so gesteuert werden, dass sie sich entlang einer stabilen kreisförmigen Umlaufbahn bewegen, bleiben die Atome 11 Millisekunden lang in einem stabilen Zustand, was mehr als 20-mal höher ist als der vorherige ähnliche Zustand im freien Raum.
Zweitens schuf das Forschungsteam das bisher größte kontrollierbare kreisförmige Rydberg-Atom mit einer Elektronenbahn von etwa 1,1 Mikrometern und stellte damit einen neuen Rekord in verwandten Bereichen auf.
Der dritte Rekord stammt aus der Zeit des Atomeinfangs mit laseroptischen Pinzetten. Mithilfe von Laserstrahlen gelang es den Forschern, diese Riesenatome 133 Millisekunden lang erfolgreich in der Falle zu halten und stellten damit ebenfalls einen neuen Weltrekord auf.
Die Forscher wiesen darauf hin, dass runde Rydberg-Atome nicht nur eine längere Lebensdauer haben, sondern auch stabiler gegenüber äußeren Störungen sind und dennoch den wichtigen Vorteil der starken Wechselwirkung der Rydberg-Atome behalten. Diese Eigenschaften machen es zu einem idealen Kandidaten für zukünftige Quantensimulatoren und Quantencomputerplattformen.
Während die Quantencomputing-Forschung weiter voranschreitet, ist die Branche im Allgemeinen davon überzeugt, dass künftige praktische Quantengeräte eine hohe Stabilität, niedrige Fehlerraten und eine starke Skalierbarkeit aufweisen müssen. Die von der Universität Stuttgart erzielten Ergebnisse belegen erstmals, dass kreisförmige Rydberg-Atome eine langzeitstabile Kontrolle bei Raumtemperatur erreichen können, was das Problem der Fehlerakkumulation bei Quantenoperationen voraussichtlich deutlich reduzieren wird.
Das Forschungsteam gab an, dass der nächste Schritt der Versuch sein wird, ein programmierbares Quantensystem aus mehreren kreisförmigen Rydberg-Atomen aufzubauen, um sein praktisches Anwendungspotenzial in der Quantensimulation und im Quantencomputing weiter zu erforschen. Da die Steuerungstechnologie für diese „Riesenatome“ immer ausgereifter wird, könnten Quantencomputer einer höheren Leistung und einem Betrieb in größerem Maßstab einen Schritt näher kommen.
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