Darstellung einer verjüngten Glasfaser mit Nanofaser-Taille,
an die eine Reihe von Superatomen gekoppelt ist
Abbildung: Humboldt-Universität zu Berlin

Sowohl ein zukünftiges abhörsicheres Quanten-Internet als auch der Quantencomputer verwenden Prinzipien und Methoden der Quantenoptik. Diese wissenschaftliche Disziplin beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von Photonen, also Lichtteilchen, mit Quantenemittern wie Atomen oder Molekülen. Besondere Fortschritte gab es zuletzt auf dem Gebiet der nichtlinearen Quantenoptik. Dort untersucht man Photonen, die sich ähnlich wie elektrisch geladene Teilchen anziehen oder abstoßen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse bringen das grundlegende Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung voran und könnten es ermöglichen, zentrale Bauelemente für die Quantenkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung zu realisieren. Allerdings beeinflussen sich Photonen unter normalen Umständen nicht. Will man das ändern, muss man gewissermaßen dafür sorgen, dass sie sich nicht aus dem Weg gehen können und sich gleichzeitig an ein und demselben Atom treffen.

Dieser Aufgabenstellung wird sich das Forschungsprojekt „Superatom Waveguide Quantum Electrodynamics“ (SuperWave) für die nächsten sechs Jahre widmen. SuperWave erhält einen renommierten Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) und wird mit über 8 Millionen Euro gefördert. Koordiniert wird das Projekt von Arno Rauschenbeutel vom Institut für Physik der Humboldt-Universität sowie seinen Kollegen Sebastian Hofferberthvon der Universität Bonn und Thomas Pohl von der Universität Aarhus. Das Projektteam vereint das Fachwissen und die Methoden von drei Forschungsgruppen, die bisher individuell zu Fragen der Quantenoptik geforscht haben. „Das ist eine großartige Auszeichnung! Der ERC Synergy Grant wird es uns ermöglichen, gemeinsam mit den Teams aus Aarhus und Bonn ein neues Forschungsfeld ins Leben zu rufen und dieses voranzutreiben“, erklärt Arno Rauschenbeutel. „Da schon vorher ein reger Austausch und Zusammenarbeit zwischen uns dreien stattfand, bin ich mir sicher, dass wir viel Freude beim gemeinsamen Forschen haben werden.“

In SuperWave geht es darum, Photonen durch optische Nanofasern zu leiten, entlang derer sogenannte Superatome aufgereiht sind. Solche Glasfasern, die mehr als 100mal dünner sind als ein menschliches Haar, nutzt Arno Rauschenbeutel in seiner Arbeitsgruppe, um geführte Photonen mit gewöhnlichen Atomen wechselwirken zu lassen. Dies ermöglichte wegweisende Experimente im Feld der Wellenleiter-Quantenelektrodynamik. Um die Wahrscheinlichkeit der Atom-Photon Wechselwirkung weiter zu erhöhen, kommt bei SuperWave nun ein Trick zum Einsatz, der von Sebastian Hofferberth perfektioniert wurde. Er erlaubt es, einige tausend Atome in einer optischen Pinzette dazu zu bringen, sich so zu verhalten, wie ein einziges riesiges Atom. Dieses Superatom ist größer als der Querschnitt der Nanofaser, sodass die Photonen nicht mehr an ihm vorbeikönnen. Was sich einfach anhört, birgt allerdings eine ganze Reihe von Herausforderungen. Um diese zu meistern, baut das Forscher-Team auf die langjährige Expertise von Thomas Pohl, der sich aus theoretischer Sicht mit Superatomen und Wellenleiter-Quantenelektrodynamik befasst und viele Ideen und Konzepte zu den beiden Feldern beigetragen hat.

„Der Synergy Grant für Arno Rauschenbeutel und sein Team ist in der Tat eine großartige Nachricht für Berlin“, sagt Prof. Christoph Schneider, Vizepräsident für Forschung der Humboldt-Universität zu Berlin. „Diese Forschung wird Berlins Position als wichtiger Standort für die Entwicklung und Nutzung von Quantentechnologien stärken. Das SuperWave-Projekt ergänzt die Forschung der Berlin Quantum Alliance und der Einstein Research Unit zu Quantenprozessoren und –computern, die beide an der Berlin University Alliance angesiedelt sind, auf sehr fruchtbare und sinnvolle Weise.“ Mit der Berlin Quantum Alliance, die kurz vor ihrem Start steht, unterstützt das Land Berlin Projekte im Bereich der Quantentechnologie und des Quantencomputings über einen Zeitraum von 5 Jahren mit insgesamt 25 Millionen Euro.

Kontakt

Arno Rauschenbeutel
Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin

Tel.: +49 30 2093 82152
arno.rauschenbeutel@hu-berlin.de

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