Am 28. Januar 2025 präsentierten Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Atomen und Licht, eine Entdeckung, die die Entwicklung stabiler Quantensysteme verbessern könnte. Dieser Fortschritt hat bedeutende Auswirkungen auf Quantentechnologien, einschließlich schneller Berechnungen und sicherer Kommunikation.
Die Wechselwirkung zwischen Atomen und Licht ist grundlegend für das Verhalten der physikalischen Welt, bleibt jedoch komplex zu verstehen und zu kontrollieren. Die jüngste Studie konzentrierte sich auf diese Wechselwirkungen innerhalb von mehrstufigen atomaren Systemen, was möglicherweise zur Schaffung stabiler quantenmechanischer Zustände führen kann.
Traditionell vereinfachen Wissenschaftler Modelle, indem sie Atome als Zwei-Niveaus-Systeme betrachten: Grund- und angeregte Zustände. In der Realität können Atome jedoch mehrere Energieniveaus besitzen, was die Dynamik des Systems kompliziert. Das Forschungsteam, geleitet von Ana Maria Rey von der University of Colorado Boulder und James Thompson vom NIST, untersuchte die Wechselwirkungen zwischen Atomen und Licht in Systemen mit vier Energieniveaus.
Die Forscher verwendeten Strontium-Atome, die in eindimensionalen und zweidimensionalen Kristallgittern angeordnet waren, und konzentrierten sich auf metastabile Energieniveaus, in denen Atome längere Zeit verweilen können, was es ermöglicht, dass verschränkte Zustände auch nach dem Ausschalten des Lasers bestehen bleiben. James Thompson bemerkte: "Wir planen, Bedingungen in unserem Labor zu schaffen, um Atome in einen angeregten Zustand zu versetzen, der sehr lange existiert, was eine starke und programmierbare Wechselwirkung zwischen Atomen ermöglicht. Dies wird eine Übergangszeit von 2,9 Mikrometern nutzen, was erheblich größer ist als der Abstand zwischen Atomen in einem optischen Gitter."
Das Team entwickelte auch ein Modell, das die Dynamik des Systems beschreibt. Zukünftige Untersuchungen zielen darauf ab, komplexere mehrstufige Systeme zu erkunden, wie Strontium-Atome mit bis zu zehn Grund- und angeregten Niveaus. Diese Erkundung könnte den Weg für programmierbare Quantensysteme und die Verteilung von Verschränkung ebnen.
Wie die Mitautorin Sanaa Agarwal feststellte: "Wir nähern uns Systemen, die die Verschränkung stabil aufrechterhalten können, ein entscheidender Schritt für zukünftige Quantentechnologien."