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03. November 2003 - Ein Quantencomputer kann, anders als moderne Rechner, nicht nur eindeutige Zustände wie im binären System, sondern auch Zwischenstufen erfassen und gleichzeitig verarbeiten, was die Rechenzeit dramatisch reduziert. Damit werden Aufgaben zugänglich, die von konventionellen Rechnern nicht in Millionen Jahren bewältigt, von einem Quantencomputer aber in Minuten gelöst werden können. Bislang wurde nur theoretisch gezeigt, dass er tatsächlich gebaut werden kann, und Münchner Forscher sind diesem Ziel jetzt einen Schritt näher gekommen. Das Team um Prof. Dr. Immanuel Bloch, jetzt an der Universität Mainz, und Prof. Dr. Theodor W. Hänsch, Fakultät für Physik der LMU und Max-Planck-Institut für Quantenoptik, verwirklichte das erste hochparallele Quantengitter für einen Quantencomputer, wie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature berichtet.
Damit haben die Wissenschaftler eine außergewöhnliche Kontrolle über Materie am absoluten Nullpunkt erreicht, die dabei in ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat übergeht. In diesem Zustand verlieren die Atome ihre Individualität, zeigen dieselben physikalischen Eigenschaften und verhalten sich wie ein einzelnes "Superatom". Die Forscher schufen eine Art Rechengitter aus einzelnen Atomen, die selbst wiederum in einem künstlichen Kristall aus Laserlicht gefangen sind. Neu ist, dass sie dabei ein hochparalleles Quantengitter durch die kontrollierte Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomen realisieren konnten. Denn wenn sich der wellenartige Zustand der Materie als Bose-Einstein-Kondensat in mancher Hinsicht mit Laserlicht vergleichen lässt, so können die Atome dabei aber - anders als im gleichförmigen Laserlicht - miteinander kollidieren.
Die Wissenschaftler haben die Materiewelle des Bose-Einstein-Kondensats aufgebrochen und die einzelnen Atome in einem Gitter aus Laserlicht an genau definierten Stellen "gefangen". Das ist der so genannte Mott-Isolator-Zustand der Materie. Jedem einzelnen Atom ist dabei ein Quantenbit mit den zwei internen Zuständen 0 und 1 zugeordnet. Zunächst sind die einzelnen Atome noch voneinander isoliert. Doch mit Hilfe ihrer internen Zustände können sie miteinander in Wechselwirkung gebracht werden. Dies ist möglich durch Veränderungen der Frequenz und Polarisation des für den Lichtkristall verwendeten Lasers. Je nach internem Zustand bewegen sich die Atome dann in bestimmte Richtungen, wobei auch kontrolliert werden kann, wie weit sie sich von ihrem Ausgangspunkt entfernen. Kommen dann ehemals benachbarte Atome in Kontakt, findet eine kontrollierte Wechselwirkung statt, die ebenfalls genau gesteuert werden kann.
Eine entscheidende Eigenschaft der Quantenbits ist, dass sie sich nicht nur in den Zuständen 0 oder 1 befinden können, sondern auch in Überlagerungszuständen, wobei sich das betreffende Atom gleichzeitig in beiden Zuständen befindet. Diese Atome können sich dann durch entsprechende Änderungen des Laserlichts in mehrere Richtungen gleichzeitig bewegen und dabei mit mehreren Nachbaratomen zugleich wechselwirken. Treffen diese dabei wiederum auf ihre eigenen Nachbarn, sind mehrere Atome wie in einer gemeinsamen Kette miteinander verbunden, ohne notwendigerweise direkt miteinander in Kontakt zu sein. Ein hochparalleles Quantengatter-Netzwerk bildet sich heraus, das möglicherweise als "Schaltkreis" für einen Quantencomputer verwendet werden kann.
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Immanuel Bloch
Institut für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität
phon: 06131 39-26234
E-Mail: bloch@uni-mainz.de
Prof. Dr. Theodor W. Hänsch
Ludwig-Maximilians-Universität und
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
phon.: 089 2180-3212
E-Mail: t.w.haensch@physik.uni-muenchen.de
Criteria of this press release:
Mathematics, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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