Zusammenfassung:
Beim Tischtennis oder Fußball zeichnet die sich schnell drehende Kugel „Loopball“ aufgrund von Unterschieden im Luftstrom eine gekrümmte Flugbahn. Dieses klassische physikalische Phänomen wird Magnus-Effekt genannt. Kürzlich veröffentlichte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Paul Scherrer Instituts (PSI) in der Schweiz einen Artikel in der Fachzeitschrift Physical Review Letters und gab bekannt, dass der entsprechende „optische Magnus-Effekt“ erstmals direkt mit Lasern und einzelnen Ionen auf einer extrem mikroskopischen Skala beobachtet werden konnte.
Dieses Phänomen zeigt, dass es am starken Wechselwirkungspunkt zwischen dem hochfokussierten Laser und dem Qubit eine winzige seitliche Verschiebung von Hunderten von Nanometern gibt. Diese Entdeckung hat einen wichtigen wissenschaftlichen Wert für die Verbesserung der Steuergenauigkeit von Ionenfallen-Quantencomputern.
Normalerweise geht man intuitiv davon aus, dass die Lichtintensität im Zentrum des Laserstrahls am stärksten ist und dass auch die Wechselwirkung mit Atomen im Zentrum des Strahls am intensivsten sein sollte. Wenn Laserlicht jedoch extrem stark fokussiert wird, erfährt seine räumliche Struktur des elektromagnetischen Feldes eine komplexe mikroskopische Umformung. Theoretische Physiker der Universität Amsterdam haben vor einigen Jahren vorhergesagt, dass diese Änderung des Lichtwellenfeldes dazu führen würde, dass der stärkste Wechselwirkungspunkt zwischen Laser und Atomen nicht in die Mitte des Lichtflecks, sondern leicht seitlich davon fällt, was sich auf optischer Ebene als Magnus-Effekt manifestiert.
Um dieses äußerst schwache physikalische Phänomen im Experiment einzufangen, immobilisierte das Forschungsteam mithilfe elektromagnetischer Felder einzelne Calciumionen in einer Ionenfalle in einer Ultrahochvakuumkammer. Im Quantencomputing werden gefangene Ionen häufig als Qubits für Berechnungen verwendet und fein abgestimmte Laserpulse sind das zentrale Werkzeug zur Änderung ihrer Quantenzustände. Während des Experiments bewegten die Forscher einen hochfokussierten Laserstrahl relativ zu Kalziumionen und maßen präzise die Intensität der Wechselwirkung zwischen den Ionen und dem Lichtfeld in verschiedenen Raumkoordinaten. Mithilfe von Kalziumionen als mikroskopische Sonde gelang es ihnen, eine winzige seitliche Verschiebung von nur wenigen hundert Nanometern zu messen.
Das Experiment enthüllte auch eine unerwartete physikalische Eigenschaft: Die genaue Größe dieser seitlichen Verschiebung hängt nur von der Wellenlänge des verwendeten Lasers ab, nicht davon, wie stark der Laserstrahl fokussiert ist. Bei Ionenfallen-Quantencomputern, die auf präzise Laserstrahlen angewiesen sind, um einzelne Qubits anzusprechen und Quantenlogikgatter zu steuern, kann es sein, dass der Laser möglicherweise nicht genau auf das beabsichtigte Ziel einwirkt, wenn die „exzentrische“ Verschiebung von Hunderten von Nanometern im Algorithmus und in der optischen Ausrichtung ignoriert wird, was zu systematischen Fehlern bei kontinuierlichen hochpräzisen Quantenoperationen führt.
Philip Leindecker, der Erstautor der Studie und Forscher am Departement Physik und am Paul Scherr-Institut der ETH Zürich, wies auch darauf hin, dass es sich bei diesem Effekt nicht nur um eine negative Interferenz handelt, sondern dass die von ihm erzeugte mikroskopische elektromagnetische Kraft voraussichtlich auch als neuer physikalischer Mechanismus genutzt werden soll, um eine kontrollierte Kopplung zwischen benachbarten Qubits zu erreichen und so neue experimentelle Möglichkeiten zur Durchführung komplexerer quantenlogischer Operationen zu eröffnen. Diese Leistung bestätigte nicht nur langjährige theoretische Hypothesen auf der Ebene der grundlegenden Quantenoptik, sondern legte auch einen wichtigen Parametermaßstab für die optische Systemkalibrierung der hochfehlertoleranten Ionenfallen-Quantenhardware der nächsten Generation fest.
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