Auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung von Quantencomputern?
An der Columbia University hat ein Team unter der Leitung von Sebastian Will und Nanfang Yu erfolgreich 1000 Strontiumatome angeordnet. Diese Meisterleistung nutzt optische Pinzetten, unterstützt durch den Einsatz von Metasurfaces, wie ihre in
Nature veröffentlichte Studie berichtet. Ihre Demonstration zeigt, dass dieser Ansatz auf Anordnungen von über 100.000 Atomen erweitert werden könnte. Atome sind natürliche Qubits, perfekt identisch und in großen Mengen einfach handhabbar, was die Herstellung von Quantencomputern erheblich erleichtert.
Illustration eines neutralen Atomgitters.
Bildnachweis: Will Lab, Columbia University
Normalerweise verwenden optische Pinzetten stark fokussierte Laser, um jedes Atom an seinem Platz zu halten. Die Erzeugung großer Gitter mit dieser Technik erfordert sperrige und teure Geräte. Metasurfaces bieten eine kompakte und leistungsstarke Alternative: Diese flachen Komponenten wandeln einen einzigen Lichtstrahl in mehrere Fangpunkte um und ermöglichen so die gleichzeitige Kontrolle mehrerer tausend Atome.
Die Herstellung von Metasurfaces erfordert den Einsatz von Nanopixeln, die kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Diese Eigenschaft verleiht ihnen die Fähigkeit, Licht mit äußerster Präzision zu formen, ohne auf zusätzliche optische Elemente zurückgreifen zu müssen. Darüber hinaus vertragen diese Materialien leistungsstarke Laser, die unerlässlich sind, um eine große Anzahl von Atomen einzufangen. Diese Widerstandsfähigkeit lässt Anwendungen in großem Maßstab erwarten.
Schema, das zeigt, wie eine Metasurface aus einem einzelnen Laser mehrere fokussierte Strahlen erzeugt.
Bildnachweis: Will and Yu labs, Columbia University Um die volle Flexibilität ihrer Plattform zu zeigen, erzeugte das Team verschiedene Atomkonfigurationen, wie ein quadratisches Gitter mit 1024 Plätzen oder künstlerischere Muster, wie die Freiheitsstatue. Eine Metasurface mit einem Durchmesser von 3,5 mm, die Millionen von Nanopixeln enthält, kann bis zu 360.000 optische Pinzetten erzeugen und übertrifft damit die Leistung aktueller Techniken deutlich.
In Zukunft wollen die Wissenschaftler leistungsstärkere Laser einsetzen, um mehrere hunderttausend Atome einzufangen. Dieser Fortschritt könnte nicht nur dem Bereich der Quantencomputer dienen, sondern auch anderen Feldern wie der Modellierung physikalischer Phänomene oder der Entwicklung noch genauerer Atomuhren. Die Kombination von optischen Pinzetten und Metasurfaces zeichnet somit eine vielversprechende Zukunft für Quantentechnologien.
Nahaufnahme einer Metasurface mit 3,5 mm Durchmesser und hoher Nanopixeldichte.
Bildnachweis: Yu lab, Columbia University