Wenn Physiker Mitten in München vom „coolsten Platz weit und breit” schwärmen, dann meinen sie kaum einen der Event-Tempel der modernen Spaßkultur. Schon viel eher könnte es sein, dass sie von einem unscheinbaren Gebäude der Ludwig-Maximilians-Universität reden und von einem der Labors im dritten Stock. Dort, auf tonnenschweren Stahlplatten, inmitten einer Unzahl von Spiegeln, Detektoren und elektronischen Geräten, im Inneren kleiner Vakuumkammern, züchten junge Wissenschaftler Gebilde der besonderen Art: Atomwolken, deren Temperatur nur bei einigen Mikrokelvin liegt – also Millionstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius – und die nur um Haaresbreite über hundertmillionenfach wärmeren Oberflächen schweben. Mag ein Laie das schon ziemlich „cool” finden, so reicht doch der Ehrgeiz der Forscher weiter. „Vor drei Jahren haben wir mit solchen Atomwolken den ersten Atomlaser gebaut und letztes Jahr einen Atomchip – also Dinge, wie sie bislang nur aus der Optik und Elektronik bekannt waren”, sagt der Leiter der Abteilung, Prof. Theodor W. Hänsch (siehe Porträt auf Seite 90). Und damit nicht genug. Hänschs Arbeitsgruppe hat wie einige andere Teams den Heiligen Gral der modernen Atomphysik vor Augen: den Quantencomputer, gegenüber dem ein heutiger Rechner – zumindest bei manchen Anwendungen – etwa so langsam wäre wie ein Rechenschieber im Vergleich zu einem Cray-Supercomputer. Obwohl dieses hehre Ziel noch in weiter Ferne liegt, können manche Kommentatoren ihre Begeisterung kaum zügeln. „Die neuen Entwicklungen sind vergleichbar mit dem Sprung vom einzelnen Transistor zum Mikrochip”, heißt es beispielsweise in einer Erklärung der Max-Planck-Gesellschaft.
Der Beginn dieser Euphorie lässt sich genau datieren. 1995 gelang es Wolfgang Ketterle – ein ehemaliger Doktorand am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München – sowie den US-amerikanischen Physikern Eric A. Cornell und Carl E. Wieman, so genannte Bose-Einstein-Kondensate zu erzeugen. Damit schufen die drei Wissenschaftler, die dafür im vergangenen Jahr den Nobelpreis für Physik erhielten, erstmals eine Form von Materie, die bereits 1924 von dem Inder Satyendra Bose und Albert Einstein theoretisch vorhergesagt worden war, aber 70 Jahre lang von niemandem beobachtet werden konnte. Ein Bose-Einstein-Kondensat existiert nur knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Auch muss es von der Umgebung isoliert werden, das heißt, es muss ein Vakuum herrschen, das etwa eine Billion Mal weniger Atome enthält als die normale Raumluft. Um ein Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen, wird typischerweise eine etwa reiskorngroße Gaswolke von Atomen auf eine extrem tiefe Temperatur abgekühlt und in einer Art „magnetischer Flasche” festgehalten. Dazu verwenden die Forscher meist Alkaliatome, zum Beispiel Natrium oder Rubidium, weil deren Elektronenstruktur besonders unkompliziert ist und sie sich besonders einfach kühlen lassen. Dazu werden aus allen drei Raumrichtungen sechs Laserstrahlen auf die herumschwirrenden Teilchen gerichtet. Deren Lichtdruck kühlt die Atome auf Temperaturen von etwa 100 Mikrokelvin ab (siehe Kasten „Kühlen per Laserlicht” auf Seite 89). Durch Magnetfelder lassen sich die ultrakalten Atome dann einfangen und festhalten. Anschließend erfolgt eine weitere Temperaturabsenkung, indem man die schnellsten – und damit besonders „warmen” – Atome aus der Wolke entweichen lässt. Die verbleibende Atomwolke enthält schließlich noch, je nach Auslegung des Experiments, einige tausend bis etwa zehn Millionen Atome bei einer Temperatur von nur noch einem Mikrokelvin oder weniger. Unter diesen extremen Bedingungen nehmen die Atome einen Zustand ein, der dem von Photonen in einem Laser ähnelt: Sie „ kondensieren” in ihren Grundzustand, das heißt, alle Atome besitzen dieselbe minimale Energie, und sie bewegen sich im Gleichtakt wie die Lichtteilchen im Laser. Sie bilden nun ein Bose-Einstein-Kondensat. Ein solches Gebilde verhält sich wie eine perfekte Materiewelle, so, wie das Laserlicht eine perfekte elektro-magnetische Welle darstellt. Der Schritt zum Atomlaser ist daher nahe liegend. Hänschs Team demonstrierte 1999, dass dies funktioniert, indem sie die magnetische Flasche öffneten und das Kondensat als millimeterlangen Atomstrahl entweichen ließen. „ Inzwischen konnten wir auch zeigen, dass sich mit Magnet- und Lichtfeldern geeignete Spiegel und Linsen für derartige Atome bauen lassen”, sagt Hänsch. „Damit lässt sich der Atomlaser im Prinzip auf einen Fleck von wenigen Nanometern, also Millionstel Millimetern, Größe fokussieren.” Der Vorteil der Optik mit Materiewellen gegenüber der herkömmlichen Lichtoptik ist die enorm hohe Präzision, die sich damit erreichen lässt. „Die Anwendung eines Atomlasers ist die präziseste Methode, die ich kenne, um Atome genau zu steuern und gezielt auf Oberflächen aufzubringen” – etwa, um die winzigen Strukturen und Bauteile einer künftigen Nanoelektronik herzustellen. Dagegen verhalten sich konventionelle Atomstrahlen zum Atomlaser wie eine Glühbirne zum Lichtlaser: „Mit dem Atomlaser kann man pro Fläche und Zeiteinheit millionenfach mehr Atome deponieren.” Allerdings enthält ein Bose-Einstein-Kondensat insgesamt nur etwa eine Million Atome. Das genügt zwar zur Erzeugung einer einzelnen Nanostruktur, aber auf diese Weise einen ganzen Nanochip aufzubauen, etwa für eine künftige Nanoelektronik, würde viel zu lange dauern. Doch auch da ist ein Ausweg in Sicht. In den Labors von Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge (USA) gelang es vor wenigen Monaten, das Kondensat in seiner Falle nachzuladen, bevor es durch den austretenden Laserstrahl aufgebraucht war – „ein großer Schritt in Richtung eines kontinuierlichen Atomlasers”, urteilt Hänsch. Vielleicht noch weiter reichend als die möglichen Anwendungen eines Atomlasers sind jedoch die des Atomchips, den Hänschs Mitarbeiter Jakob Reichel, Wolfgang Hänsel und Peter Hommelhoff Ende vergangenen Jahres vorstellten. Mit ihrem briefmarkengroßen Chip, der mit Standardprozessen der Mikroelektronik hergestellt wurde, lassen sich Atomwolken „schneller in Bose-Einstein-Kondensate verwandeln, mit weniger Energieaufwand und auf kleinerem Raum, als dies bisher möglich war”, sagt Peter Hommelhoff. Dazu haben die Münchner Physiker die notwendigen Bauteile konsequent miniaturisiert: Beispielsweise verwenden sie keine großen Elektromagnete mehr, um die Magnetfelder für den Einschluss des Kondensats zu erzeugen. Stattdessen haben sie mit Computersimulationen berechnet, wie Leiterbahnen auf einem Mikrochip verlaufen müssen, die – wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen werden – ebenfalls den Effekt einer magnetischen Flasche zustande bringen. Das ultrakalte Kondensat schwebt dabei nur Bruchteile eines Millimeters über der Chipoberfläche. Mit weiteren Verbesserungen funktioniert dies so gut, dass sich die Atomwolke in weniger als einer Sekunde in ein Bose-Einstein-Kondensat verwandelt – zehnmal schneller als mit dem herkömmlichen Verfahren. Die Folge: Die Anforderungen an das Vakuum sind geringer. Alles in allem wird dadurch die kondensierte Atomwolke wesentlich leichter handhabbar und Experimenten leichter zugänglich – und Apparate für eine mögliche künftige Anwendung von Bose-Einstein-Kondensaten, etwa in der Elektronikfertigung, werden deutlich preisgünstiger. Auf einem ihrer neuesten Chips haben die Forscher zusätzlich besonders strukturierte Leiterbahnen aufgebracht, die wie ein Förderband wirken. „Damit können wir das Kondensat oder auch Einzelatome über den Chip hinweg um bis zu zehn Zentimeter verschieben”, erklärt Hommelhoff. Derzeit bauen die Münchner Physiker hoch empfindliche Detektoren zum Nachweis einzelner Atome, die als Herzstück einen Atomchip enthalten. Besonders Empfindliche Messungen sind auch eine Spezialität von Claus Zimmermann, einem ehemaligen Mitarbeiter von Hänsch, Miterfinder des Atomchips und nun Professor in Tübingen. Seine Arbeitsgruppe fertigt Atomchips mit extrem feinen Drähten, besonders engen Mikrofallen und einer sehr hohen Anzahl von Atomen im Kondensat. „Unser Ziel ist der Bau eines Interferometers”, erklärt Zimmermann. Damit lassen sich Wellen in mehrere Bestandteile separieren und später wieder zusammenführen – die Basis für den Bau sehr empfindlicher Messgeräte. Das Bose-Einstein-Kondensat muss dazu in zwei Hälften aufgespalten werden, die dann über leicht gebogene Wege auf dem Chip geführt und schließlich wieder vereinigt werden. Wenn nun quer zu den Pfaden eine Kraft wirkt, wird die eine Kondensat-Wolke zuerst beschleunigt und dann verlangsamt und die andere umgekehrt. Die Folge: Die beiden Wolken kommen etwas zeitversetzt am Ende an. Wenn sie wieder zusammentreffen, entsteht ein so genanntes Interferenzmuster aus unterschiedlich dichten Bereichen in dem Kondensat. Anhand seiner genauen Form kann man extrem kleine Kräfte bestimmen. „Mit einem solchen Interferometer werden sich noch Kräfte von einem Millionstel der Gewichtskraft eines Atoms messen lassen”, prophezeit Zimmermann. Mögliche Anwendungen reichen von der ortsabhängigen Bestimmung der Erdgravitation oder -rotation, etwa zum Auffinden von Erdgaslagerstätten und der Dynamik im Erdinneren, bis zur Messung allgemein relativistischer Effekte. Ein weiterer Vorteil der Tübinger Apparaturen ist, dass das Bose-Einstein-Kondensat bis auf wenige Mikrometer an die Oberfläche des Chips herangeführt werden kann und sich dadurch als Mikroskop einsetzen lässt. „ Damit haben wir bereits neuartige Oberflächeneffekte gesehen: eine periodische Aufspaltung des Kondensats – was bislang noch völlig unverstanden ist”, berichtet Zimmermann. Am Meisten Elektrisiert derzeit viele Wissenschaftler eine andere Idee: „Der Atomchip könnte sich als die beste Wahl erweisen, um einen Quantencomputer zu bauen”, urteilten die beiden Physiker Prof. Ron Folman und Prof. Jörg Schmiedmayer von der Universität Heidelberg in der Fachzeitschrift „nature”. Schmiedmayer war nicht nur einer der ersten Forscher, der miniaturisierte Atomfallen konstruierte, sondern er ist auch Initiator des Acquire-Programms der EU (Atom Chips for Quantum Information Research), das bis Ende 2002 die Methoden vorantreiben soll, um fortgeschrittene Atomchips zu fertigen. Danach soll ein weiteres EU-Programm helfen, einen Atomchip zum Prozessor für Quanteninformationen weiterzuentwickeln. „Unsere Idee ist, einzelne Atome aus einem Bose-Einstein-Kondensat herauszunehmen, sie gezielt auf dem Chip zu platzieren, ihre Quantenzustände genau einzustellen, sie nach einem vorgegebenen Programm miteinander wechselwirken zu lassen und das Ergebnis dann wieder zu messen”, sagt Schmiedmayer. Was er da beschreibt, ist genau der Bauplan für einen Quantencomputer (siehe Kasten „Musik der Quanten” auf Seite 97). Mit Kollegen wie Prof. Peter Zoller von der Universität Innsbruck und Prof. Ignacio Cirac – inzwischen Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik – hat Schmiedmayer präzise ausgerechnet, welche Bedingungen erfüllt werden müssen, damit dieser Vorschlag auch in der Praxis funktioniert. „Die Schwierigkeiten sind natürlich enorm”, gibt er zu und lacht schelmisch: „Aber das ist ja der Reiz an der Sache.” Zum Beispiel ist es noch unklar, wie man Einzelatome aus dem Kondensat entnehmen kann. Auch die gezielte Wechselwirkung, die so genannte „quantenmechanische Verschränkung” – die der Rechenoperation in einem Quantencomputer entspricht –, ist nicht einfach: „Wir denken daran, je zwei dieser Atome in einem engen Kanal aneinander stoßen und wieder in ihre jeweiligen Fallen zurückprallen zu lassen” – das ist theoretisch machbar, aber realisiert wurde es noch nicht. Doch Schmiedmayer ist zuversichtlich: „Wir haben mit dem Atomchip einen großen Vorteil, weil wir das Beste aus zwei Welten verbinden. Erstmals können wir die technisch sehr weit ausgereiften Möglichkeiten der Mikroelektronik und der Optik nutzen, um neutrale Atome nach Wunsch zu manipulieren. Und neutrale Atome sind ideale Quantenobjekte, da sie kaum für Störungen empfänglich sind und daher ihre Quanteneigenschaften lange behalten.” Mit der Massenfertigung des Mikrochips, sagt der Quantenphysiker, kam der Durchbruch der Elektronik – für Computer, Sensoren oder Handys –, mit der Massenfertigung in der Mikrooptik der Durchbruch des Lasers – vom CD-Spieler bis zur Glasfaserkommunikation. Auch in der Atomphysik sei nun der Weg zur Miniaturisierung der Systeme vorgezeichnet: „Wohin uns das führen wird, ist noch nicht absehbar, aber es ist unendlich spannend – und richtig coole Forschung.”
Kompakt
Aus einem Bose-Einstein-Kondensat – einer Wolke aus tausenden im Gleichtakt schwingenden Atomen – bauen Physiker Atomlaser, mit denen sich Atome nanometergenau auf einer Oberfläche aufbringen lassen. Atomchips erlauben es seit kurzem, an ihrer Oberfläche Bose-Einstein-Kondensate sehr viel schneller und einfacher zu erzeugen, als dies bisher möglich war. Mögliche Anwendungen von Atomchips sind die präzise Messung extrem kleiner Kräfte, die Beobachtung bisher unsichtbarer atomarer Effekte und in Zukunft vielleicht der Bau eines Quantencomputers. Murmelspiel mit Atomen Eine der Interessantesten Neuentwicklungen in der Quantenoptik meldete die Arbeitsgruppe von Theodor Hänsch in München Anfang des Jahres: die erstmalige Beobachtung eines lange vorhergesagten Übergangs von einem Bose-Einstein-Kondensat zu einem so genannten Mott-Isolator. Die Wissenschaftler hatten mit Laserstrahlen aus allen drei Raumrichtungen ein dreidimensionales Lichtgitter geschaffen, das an den Schnittpunkten für Atome anziehend wirkt – vergleichbar mit einem Eierkarton, der hineingeworfene Murmeln in den Mulden auffängt. Wird nun die Atomwolke eines Bose-Einstein-Kondensats freischwebend in diesem Gitter platziert und die Lichtenergie langsam erhöht, so trennt sich die Wolke plötzlich in rund 100000 Einzelwölkchen auf, die an den Gitterpunkten sitzen. „Zuvor im Kondensat waren die Atome noch über das gesamte Volumen verschmiert, doch jetzt im Mott-Isolator-Zustand sind sie genau lokalisiert”, erklärt Hänsch. „Die einzelnen Atome befinden sich dann wirklich in den Töpfen, also den Mulden des Eierkartons”, erklärt der Forscher. Mehr noch: Dieser Zustand lässt sich wieder zurückverwandeln, indem die Lichtstärke heruntergefahren wird. Und er lässt sich so einstellen, dass genau ein Atom pro Gitterplatz sitzt. Damit ist der Mott-Isolator die erste experimentelle Möglichkeit, tausende von Einzelatomen im tiefsten quantenmechanischen Energiezustand präzise an vorher exakt definierte Plätze zu bringen – eine hervorragende Ausgangsposition, um einen Quanten computer mit einer Vielzahl von Qubits zu realisieren. Musik der Quanten Gelänge es, einen Quantencomputer zu bauen, ließen sich damit viele Berechnungen millionenfach beschleunigen: Zwar eignet er sich nicht unbedingt als Ersatz für die heutigen PCs, aber als sicher geltende Codes könnten im Handumdrehen geknackt werden, Datenbanken könnten blitzartig durchsucht werden, der Aufbau integrierter Schaltungen ließe sich ebenso optimieren wie die Reiserouten eines Handelsvertreters und vieles mehr. Doch wie würde so ein Supercomputer funktionieren? Anders als die heutigen Rechner verarbeitet ein Quantencomputer Informationen nicht als Bits, die eindeutig als 0 und 1 definiert sind. Stattdessen nutzt er so genannte Quantenbits (Qubits), die bei einer Messung als 0 oder 1 in Erscheinung treten, aber, solange sie nicht gemessen werden, in einer beliebigen Überlagerung dieser Werte existieren. In der Musik wäre ein Bit etwa vergleichbar mit einem reinen Ton, während ein Qubit eher einen Akkord darstellt. Die Verwendung von Qubits hat zwei wesentliche Vorteile: Anders als ein herkömmlicher Computer befindet sich ein Quantencomputer in allen möglichen Zuständen gleichzeitig – bei 50 Qubits wären das 250 Werte, wofür ein heutiger Rechner einen Speicher von etwa 128000 Gigabyte bräuchte. Mehr noch: Auch die Berechnungen führt ein Quantencomputer an allen Zuständen gleichzeitig durch. Dabei beeinflussen sich idealerweise die Qubits derart gegenseitig, dass das korrekte Resultat schließlich mit der höchsten Wahrscheinlichkeit am Ende als Ergebnis gemessen werden kann – die Physiker nennen das Verstärkung durch konstruktive Interferenz. In der Musik entspräche eine solche Berechnung etwa einer Sinfonie, bei der im Lauf der Zeit ein bestimmtes Zusammenspiel der Streichinstrumente immer klarer in den Vordergrund tritt. Doch so nützlich ein Quantencomputer wäre, so schwierig ist seine Realisierung. So müssen die Qubits durch Quantenobjekte – etwa die inneren Zustände von Atomen oder Ionen – repräsentiert werden, die erstens möglichst keine Störung durch die Umgebung erfahren, zweitens untereinander aber in enger Wechselwirkung stehen und sich drittens zugleich vom Experimentator präzise kontrollieren und detektieren lassen. Die Vorschläge für Quantencomputer reichen von Molekülen in Flüssigkeiten – mit einer Kopplung der Drehimpulse ihrer Atomkerne – über Ionenfallen bis zu genau positionierten ultrakalten Atomen in Atomchips. Demonstriert wurden bislang jedoch nur die rudimentärsten Anfänge eines Quantencomputers.
Dr. Ulrich Eberl
