Mit elektromagnetischen Feldern lassen sich Quantenteilchen manipulieren: Man kann sie einfangen, festhalten oder an einen bestimmten Ort bewegen. Wichtig ist dies beispielsweise für ihre Nutzung in Quantencomputern oder bei quantenphysikalischen Messungen. „Um Quantenteilchen zu kontrollieren, verwenden wir eine Kombination aus mehreren elektromagnetischen Feldern“, erklärt Co-Autor Maximilian Prüfer von der Technischen Universität Wien. „Durch winzige Strukturen wird elektrischer Strom geschickt, dadurch entsteht ein Magnetfeld. Zusätzlich verwenden wir Lichtstrahlen, die durch Linsen, Spiegel und Filter gezielt manipuliert werden können.“ Die Form und Intensität des Lichtstrahls bestimmen, welche Kräfte die Teilchen an welcher Stelle spüren. Indem man die Intensitätsverteilung des Lichts anpasst, kann man die Teilchen gezielt beeinflussen.
Aufwendige Justierung
Doch welche Form die elektromagnetischen Teilchenfallen für den gewünschten Effekt haben sollten und wie man sie während des Experiments verändern muss, ist nicht einfach zu ermitteln. Bisher sind dafür meist langwierige Versuchsreihen mit zahlreichen Messungen notwendig. „Prinzipiell gibt es zwei unterschiedliche Methoden, dieses Lichtfeld zu steuern“, erklärt Prüfer. „Man kann vorab berechnen, welche Form das Feld haben muss – das gelingt aber nur dann, wenn man alle Details des Experiments, inklusive aller Störeffekte, wirklich ganz genau kennt. Das Ergebnis kann daher immer nur höchstens so präzise sein, wie das Rechenmodell, das man verwendet.“ Die zweite Möglichkeit sind iterative Steuerungsalgorithmen: Dabei führt man nach jedem Änderungsschritt ein neues Experiment durch und nutzt das Ergebnis, um die Anordnung zu optimieren.
„Solche Algorithmen sind im Prinzip nur durch die experimentelle Messgenauigkeit beschränkt. Diese wunderbare Eigenschaft hat jedoch einen Preis: Jeder Verbesserungsschritt benötigt einen eigenen Versuch am Experiment.“ erklärt Co-Autor Andreas Deutschmann-Olek von der TU Wien. Dadurch können die für solche Versuchsreihen nötigen Messungen Wochen dauern und schon eine geringfügige Änderung am gewünschten Lichtfeld bedeutet, dass man von vorne beginnen muss. Deshalb hat das Team um Erst-Autor Martino Calzavara vom Forschungszentrum Jülich jetzt künstliche Intelligenz zu Hilfe genommen. „Wir haben ein neuronales Netz entwickelt, dessen Struktur genau an die physikalische Aufgabe angepasst ist, die es hier zu lösen gilt”, erklärt Prüfer. „Wichtig war es, unser Wissen über die physikalischen Eigenschaften des Systems zu nutzen und von vornherein in die künstliche Intelligenz einzubauen. Wir nennen das ein Physik-inspiriertes neuronales Netz.”
