Quantencomputer

Quantenlogik und (Anti-)Protonen

Einzelne Ionen als Qubits eines zukünftigen Quantencomputers lassen sich sehr effizient mit Hilfe von Laserstrahlen kühlen und detektieren. Ein neu gestartetes Projekt möchte dieses Wissen nun auch zur Kühlung und Detektion einzelner (Anti-)Protonen nutzbar machen. Bei erfolgreicher Demonstration bietet sich eine hochinteressante Perspektive: die Anwendung der experimentellen Techniken zur Kühlung von Antiprotonen am BASE-Experiment am CERN in Genf.

Wechselwirkung einzelner (Anti-)Protonen mit einem atomaren Ion

Bereits 1982 hat sich der Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman damit beschäftigt, wie das Verhalten physikalischer Systeme, die den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen, „berechnet“ werden kann. Im Allgemeinen ist dies sehr schwierig, weil die benötigten Rechenressourcen exponentiell mit der Grösse des Systems wachsen. Aus dieser Beobachtung entstanden die ersten Überlegungen zu einer Rechenmaschine, die auf quantenmechanischen Prinzipien basieren würde. Einen kräftigen Schub hat die Forschung zu solchen Quantencomputern Mitte der 90er Jahre bekommen, als Algorithmen gefunden wurden, die das „Knacken“ wichtiger Verschlüsselungsverfahren ermöglichen würden. Seitdem arbeiten Forscherinnen und Forscher in aller Welt an der Entwicklung solcher Maschinen. Mit wenigen Qubits gelingt das auch bereits ganz gut, aber bis zu der Skala, die für das „Code-Knacken“ relevant ist, wird es wohl noch etwas dauern…

Ionen als Quanten-Bits

Ein vielversprechendes System für den Einsatz als „Quanten-Rechner“ sind einzelne, in elektromagnetischen Feldern („Fallen“) gespeicherte Ionen. Einzelne Ionen lassen sich nämlich in diesen Fallen sehr gut von der Umgebung isolieren und mit Hilfe von Laserstrahlen manipulieren und detektieren. Aufgrund der relativ kleinen Wellenlänge können Laserstrahlen einen grossen Impuls übertragen und damit starke Kräfte auf Atome ausüben – typischerweise mehr als 1000 mal stärker als die Erdbeschleunigung. Auf (erlaubten) optischen Übergängen kann Laserlicht sehr effizient an Atomen gestreut werden. In der Quantenlogik wird dies zur Laserkühlung, Zustandsinitialisierung und Detektion von Ionen und ihren Energieniveaus genutzt.

Quantenlogik und subatomare Teilchen

Eine Arbeitsgruppe an der Leibniz Universität Hannover und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig möchte nun mit Hilfe von Techniken, die für die Quantenlogik mit Ionen entwickelt worden sind, sub-atomare Teilchen, insbesondere Protonen und später Antiprotonen, der indirekten Manipulation und Detektion mit Lasern zugänglich machen. Solche Teilchen besitzen nämlich typischerweise keine Energieniveaus, deren Abstand im Bereich des optischen Spektrums liegen. Die Idee besteht deshalb darin, einzelne (Anti-)Protonen über die Coulomb-Wechselwirkung mit einem atomaren Ion zu koppeln, das mit Hilfe von Lasern manipuliert werden kann. Der Vorschlag hierzu wurde bereits 1990 und 1998 in der Gruppe von D. J. Wineland (NIST) gemacht.

Insbesondere in Hinblick auf Antiprotonen stellt sich hierbei das Problem, dass atomare Ionen,die sich mit Lasern kühlen und manipulieren lassen, im Allgemeinen positiv geladen sind. Bringt man sie in ein „Fallenpotential“ mit einem (negativ geladenen) Antiproton, so würden sich das Antiproton und das Ion anziehen und ineinander stürzen und annihilieren. Dies wollen die Forscher durch ein spezielles ‚Doppelmuldenpotential‘ – eine Art doppelte Suppenschüssel für Antiprotonen und atomare Ionen – verhindern, bei der ein schmaler, hoher Potential-'Sperrriegel' zwischen den beiden liegt. Damit könnten ein atomares Ion und ein Antiproton miteinander wechselwirken, ohne sich aber zu nahe zu kommen. Für Paare von atomaren Ionen konnte eine solche ‚Doppel-Suppenschüssel‘ 2011 am NIST demonstriert werden. Dies könnte nun verwendet werden, um zum Beispiel einzelne Protonen und insbesondere Antiprotonen indirekt mit Hilfe von Laserstrahlen zu kühlen. Über weitere „Quantenlogik-Tricks“ wäre es dann möglich, nicht nur die Bewegung einzelner (Anti-)Protonen über Laser zu manipulieren und zu kühlen, sondern auch den Zustand des Spins, also des Elementarmagneten eines (Anti-)Protons auszulesen.

Anwendung für Präzisionsmessungen

Insbesondere in Hinblick auf einen Vergleich des magnetischen Moments von Protonen und Antiprotonen wäre das sehr interessant. Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt nämlich voraus, dass Teilchen und Antiteilchen die gleiche Masse, den gleichen Betrag der Ladung und das gleiche magnetische Moment haben müssen. Die Messung selbst einer minimalen Abweichung ließe sich nur im Rahmen von Physik jenseits des Standardmodells erklären. Das neue Projekt wird von der BASE-Kollaboration unterstützt, die einen solchen Vergleich der magnetischen Momente von Proton und Antiproton anstrebt. Der Kollaboration sind Messungen des magnetischen Moments des Protons mit einer Genauigkeit von einigen Millionstel gelungen. Signifikante Weiterentwicklungen der experimentellen Apparatur werden bald eine Messung mit milliardstel Genauigkeit ermöglichen. Falls die Forscher in Hannover und Braunschweig die „Doppel-Suppenschüssel“ für Protonen und Ionen demonstrieren können, könnte sie eines Tages auch für Protonen und Antiprotonen am CERN hilfreich sein, zur weiteren Steigerung der experimentellen Präzision. Die EU fördert die Arbeiten zu den Quantenlogiktechniken nun mit einem ERC starting grant in Höhe von 1,62 Millionen Euro.

Autorenbeitrag von Christian Ospelkaus und Stefan Ulmer (veröffentlicht 8. 2. 2014)

Legende zum Bild: Wechselwirkung einzelner (Anti-)Protonen mit einem atomaren Ion (im Beispiel 9Be+) zum Kühlen und zur Detektion. a) Sperrt man ein (negativ geladenes) Antiproton in das gleiche Potential wie ein positiv geladenes atomares Ion, stürzen die beiden Teilchen ineinander und annihilieren. b) In einem Doppelmuldenpotential ließe sich das Konzept zur Kühlung mit einem atomaren Ion und einem Proton erproben. c) Stellt man eine der Mulden auf den Kopf, so erhält man ein Potential, in dem das atomare Ion und ein einzelnes Antiproton miteinander wechselwirken könnten, ohne ineinander zu stürzen. Man beachte: Die Potentialverläufe sind für positiv geladene Teilchen gezeichnet. Der Einfachheit halber sind die Krümmungen der Potentiale am Minimum ungefähr gleich gezeichnet; im Experiment muss wegen der unterschiedlichen Massen ein Verhältnis von 1:9 gewählt werden, damit die Bewegungsfrequenzen in beiden Mulden gleich sind.

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