Im Labor der Universität Stuttgart wurden Atome, die im Normalzustand nicht größer als Staubkörner sind, plötzlich zu Giganten. Ihre Elektronenbahnen erreichten einen Durchmesser von 1,1 Mikrometern — zehntausendmal größer als bei gewöhnlichen Atomen. Genau solche „aufgeblähten“ Rydberg-Atome ermöglichten es den Physikern, gleichzeitig drei Weltrekorde zu brechen.
Der Schlüssel zum Erfolg ist der Übergang zu zirkularen Rydberg-Zuständen bei Raumtemperatur. Früher war zur Abschirmung vor Wärmestrahlung eine Kühlung mit flüssigem Helium erforderlich. Das Team unter der Leitung von Professor Tilman Pfau und Doktor Florian Meinert schirmte die Atome gegen Schwarzkörperstrahlung ab und erreichte eine Lebensdauer von 11 Millisekunden — zwanzigmal länger als frühere Ergebnisse. Gleichzeitig verzeichneten sie eine Rekord-Speicherzeit in optischen Pinzetten — 133 Millisekunden.
Rydberg-Atome wechselwirken über eine Entfernung von fünf Mikrometern — eine gewaltige Distanz nach atomaren Maßstäben. Dies ermöglicht es, sie in geordneten Arrays anzuordnen und die Wechselwirkung präzise zu kontrollieren, was für Quantensimulatoren entscheidend ist. Neutrale Atome in optischen Pinzetten gelten bereits als eine der vielversprechendsten Plattformen für skalierbare Quantengeräte.
Die Errungenschaft ist nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig. Eine lange Speicherzeit quantenmechanischer Informationen verringert die Wahrscheinlichkeit von Fehlern bei Berechnungen, und der Betrieb bei Raumtemperatur beseitigt die größte Hürde auf dem Weg zur praktischen Anwendung. Die Forscher betonen, dass ihr Verfahren auf einer physikalischen Idee aus den 1980-Jahren beruht, die jedoch an moderne Quantenplattformen angepasst wurde.
In den kommenden Jahren plant die Gruppe, auf dieser Grundlage leistungsfähigere Quantensimulatoren, Computer und hochpräzise Sensoren zu entwickeln. Die Veröffentlichung in Nature Communications bestätigt: Die drei Rekorde sind kein Zufall, sondern ein systemischer Durchbruch, der das Zeitalter zuverlässiger Quantentechnologien näher bringt.
