07 Sep. Mehr Präzision für die Lasersteuerung von Qubits
Gefangene Ionen können in Quantencomputern als Qubits dienen, deren Quantenzustände mithilfe von Laserlicht gezielt verändert werden. Bei einem stark fokussierten Laserstrahl muss die stärkste Wechselwirkung mit einem Ion nicht dort auftreten, wo die Lichtintensität am höchsten ist. Diese als optischer Magnus-Effekt bezeichnete Verschiebung ist insbesondere für die präzise Lasersteuerung von Ionen-Qubits relevant. Der optische Magnus-Effekt kann diese Steuerung beeinflussen und zu Fehlern beitragen, wenn die seitliche Verschiebung der Wechselwirkung nicht berücksichtigt wird.
Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI, der ETH Zürich und der Universität Amsterdam haben nun erstmals direkt nachgewiesen, dass das Maximum der Licht-Ion-Wechselwirkung gegenüber dem Zentrum des Laserstrahls seitlich verschoben sein kann.
Durch die starke Fokussierung verändert sich die räumliche Struktur des elektromagnetischen Feldes des Laserstrahls. Dadurch liegt das Maximum der Wechselwirkung mit dem Ion nicht mehr genau im Zentrum des Strahls, sondern seitlich davon. Diese Verschiebung ist das optische Gegenstück zum Magnus-Effekt aus der klassischen Mechanik.
Verschiebung um mehrere Hundert Nanometer
Für den experimentellen Nachweis nutzte das Forschungsteam ein einzelnes Kalzium-Ion als empfindliche Sonde. Das elektrisch geladene Atom wurde mithilfe elektromagnetischer Felder in einer Ionenfalle nahezu bewegungslos an einer definierten Position gehalten. Anschließend untersuchten die Forschenden, wie stark das Ion an verschiedenen Positionen mit dem Licht eines stark fokussierten Lasers wechselwirkte.
Auf diese Weise konnten sie die räumliche Struktur des Laserlichts abtasten und eine seitliche Verschiebung von mehreren Hundert Nanometern nachweisen. Dabei zeigte sich, dass die Größe der Verschiebung von der Wellenlänge des Lichts abhängt, nicht jedoch davon, wie stark der Laser fokussiert wird.
Effekt könnte Qubits koppeln
Nach Einschätzung der Forschenden ließe sich der Effekt auch gezielt nutzen. Die dabei entstehenden Kräfte könnten dazu dienen, Qubits miteinander zu koppeln und damit komplexere Quantenoperationen zu ermöglichen.
Der optische Magnus-Effekt war bereits einige Jahre zuvor von Forschenden der Universität Amsterdam theoretisch vorhergesagt worden. Mit dem gefangenen Kalzium-Ion gelang nun erstmals der experimentelle Nachweis und eine genauere Charakterisierung des Effekts.
Originalveröffentlichung:
[Philip Leindecker et al.: Direct Observation of the Optical Magnus Effect with a Trapped Ion; Physical Review Letters, 06.08.2026 (online), DOI: 10.1103/kj5p-qqs5]
Quelle: https://www.psi.ch/de
Bild: Paul Scherrer Institut PSI / Edgar Brucke
Bildunterschrift: Ultrahochvakuumkammer eines Quantencomputers am PSI, der mit gefangenen Ionen arbeitet. Der experimentelle Nachweis des optischen Magnus-Effekts könnte dazu beitragen, solche Quantencomputer künftig noch präziser zu steuern.