Mit einem Quantengas ein Ion einfangen

5. April 2024

Foto: L. Oghittu / Ph. Wessels-Staarmann

Ein durch einen Laserstrahl angeregte Ion kann durch eine Wolke aus ultrakalten Atomen abgekühlt und vollständig aufgehalten werden. Aufgrund seiner Ladung polarisiert es das Bose-Einstein-Kondensat.

Hybride Quantensysteme bestehend aus ultrakalten Atomen und Ionen stellen eine vielversprechende Plattform für Quantensimulationen und -computing dar. In einer soeben erschienenen Arbeit im Fachmagazin Physical Review Research zeigen Forschende des Zentrums für Optische Quantentechnologien der Universität Hamburg, wie ein solches System durch das Fangen eines Ions in einer Wolke ultrakalter Atome robust erzeugt werden kann.

Quantenmischungen aus ultrakalten Atomen und Ionen haben in den letzten Jahren ein gesteigertes Interesse immer mehr Forschender geweckt, die sich mit ultrakalter Quantenmaterie befassen. Prozessoren, die auf gefangenen Ionen basieren, gelten als führend auf dem Gebiet des Quantencomputing. Die neue Studie zeigt, dass ultrakalte Atome als effizientes Kühlmittel für solche ionische Quantenbits dienen können.

Prof. Ludwig Mathey, der auch im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ forscht, erklärt das Zusammenspiel: „Ein sich bewegendes Ion kann durch eine Wolke aus ultrakalten Atomen abgekühlt und vollständig aufgehalten werden. Zieht man zum Beispiel einen Löffel durch ein mit Honig gefülltes Glas, erfordert das mehr Kraft als das Ziehen durch Luft. In ähnlicher Weise erfährt ein Ion Reibung, indem es ein Bose-Einstein-Kondensat aus ultrakalten Atomen aufgrund seiner Ladung polarisiert.“

Der Prozess ist sehr robust

In ihrer theoretischen Studie berechneten die Forschenden die zeitliche Entwicklung des Ions, das sich schnell verlangsamt und nach einer sehr kurzen Strecke von einigen hundert Nanometern im Quantengas zum Stillstand kommt. Je höher die Anfangsgeschwindigkeit ist, umso stärker wird das Ion abgebremst. „Insgesamt haben wir festgestellt, dass der Prozess sehr robust ist“, so Mathey.

Das Forschungsteam stellte außerdem einen Bezug zu jüngsten Experimenten her, die durch einen ultrakurzen Laserpuls Ionen in einem Quantengas einfangen könnten. Dies würde die Quantensimulation von Störstellen erlauben, bei der die Bindung zwischen Atomen und Ionen die Ionenbewegung verändert.

Originalpublikation

L. Oghittu, J. Simonet, Ph. Wessels-Staarmann, M. Drescher, K. Sengstock, L. Mathey, A. Negretti

“Cooling dynamics of a free ion in a Bose-Einstein condensate”

Phys. Rev. Research 6, 023024

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023024