"Kalte Kollisionen im Bose-Einstein-Kondensat"
Neue Eigenschaften des Materiezustandes am absoluten Nullpunkt
Der Nobelpreis in Physik wurde letztes Jahr für den Nachweis eines bis dahin nur theoretisch vorhergesagten Materiezustandes verliehen: das Bose-Einstein-Kondensat. In diesem Zustand verlieren die Atome beim absoluten Nullpunkt, also Null Kelvin oder - 237 Grad Celsius, ihre Individualität und verhalten sich wie ein einzelnes "Superatom". Die Materie ist wellenartig ausgedehnt. "In bisherigen Beobachtungen hat sich die Materiewelle als stabil erwiesen", berichtet Markus Greiner, Sektion Physik der LMU und Max-Planck-Institut für Quantenoptik. "Wir konnten jetzt aber zeigen, dass diese Welle regelmäßig zusammenbricht und dann wieder auflebt." Die Ursache dieses quantenmechanischen Effekts, über den die Forscher Markus Greiner, Olaf Mandel, Theodor Hänsch und Immanuel Bloch in der neuesten Ausgabe vom 5. September 2002 der britischen Fachzeitschrift "nature" berichten, eröffnet neue Perspektiven für künftige Quantencomputer.
Der wellenartige Zustand der Materie als Bose-Einstein-Kondensat lässt sich in mancher Hinsicht mit Laserlicht vergleichen. Im Unterschied zum gleichförmig ausgerichteten Licht eines Lasers können die Atome eines Bose-Einstein-Kondensats aber miteinander kollidieren. "Das führt zu einem quantenmechanischem Effekt, den wir erstmals beobachten konnten", so Olaf Mandel. "Durch die Kollisionen der Atome bricht die Materiewelle zusammen, um unter bestimmten Voraussetzungen kurze Zeit später wieder aufzuleben - in einem sich ständig wiederholenden Prozess. Bis zu fünf dieser aufeinander folgenden Zyklen konnten wir beobachten."
Den wellenartigen Zustand der Materie kann man durch Interferenzexperimente nachweisen. Dafür bringen die Wissenschaftler Materiewellen von über 100.000 Bose-Einstein-Kondensaten zur Überlagerung. An den meisten Orten löschen sich die Wellen gegenseitig aus, an manchen Stellen aber addieren sie sich konstruktiv - und bilden ein typisches, abbildbares Interferenzmuster. "Kollabiert die Materiewelle, so verschwindet auch das Interferenzmuster, und es ist nur noch eine diffuse Wolke von Atomen sichtbar", berichtet Greiner. "Lebt die Materiewelle wieder auf, so erscheint auch das Interferenzmuster von neuem."
Der Quantencomputer lebt vorerst nur als Vision in den Gedanken einiger Physiker und geistert hin und wieder durch die Medien: Theoretisch wurde gezeigt, dass er gebaut werden kann, geschafft hat das bisher aber noch niemand. Wird er allerdings einmal realisiert, womit frühestens in zehn bis dreißig Jahren gerechnet wird, soll der Quantencomputer Aufgaben lösen, die von herkömmlichen Rechnern buchstäblich in Millionen Jahren nicht bewältigt werden können. Anders als moderne Rechner können Quantencomputer nicht nur eindeutige Zustände wie im binären System, sondern auch Überlagerungen von Zuständen erfassen und gleichzeitig verarbeiten, was die Rechenzeit dramatisch reduziert und ganz neue Aufgaben zugänglich macht.
"Der Kollaps der Materiewelle im Bose-Einstein-Kondensat wird durch zahlreiche Kollisionen der Atome verursacht", so Greiner. "Das nachfolgende Wiederaufleben der Materiewelle zeigt uns sehr eindrucksvoll, dass die Kollisionen bei diesen ultrakalten Temperaturen nicht - wie vielleicht erwartet - Unordnung verursachen. Sie laufen sogar vollständig geordnet ab." Basierend auf diesen kalten Kollisionen wurde kürzlich ein viel versprechendes Schema für einen Quantencomputer vorgeschlagen. "Dabei sollen Atome als eine Art Rechenregister kontrolliert auf einem Lichtgitter angeordnet werden und durch kalte Kollisionen miteinander wechselwirken", berichtet Greiner. "Unsere Experimente haben jetzt erstmals die Funktionsweise dieser Kollisionen aufgezeigt, was die Voraussetzung für die Entwicklung eines Quantencomputers nach diesem Schema ist."
Ansprechpartner:
Dr. Immanuel Bloch
Ludwig-Maximilian-Universität München
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49-(0) 89-2180-3704
Fax: +49-(0) 89-285192
E-Mail: imb@mpq.mpg.de
