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Darstellung der Wechselwirkung eines  supraleitenden Quantenschaltkreises mit einem Mikrowellenphoton. © TU München

Die  Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist einer der fundamentalsten Prozesse  der Physik. Ob sich unser Auto im Sommer aufgrund der Absorption von  Lichtquanten in einen Backofen verwandelt, ob Solarzellen aus Licht Strom  gewinnen oder Leuchtdioden Strom in Licht umwandeln, überall in unserem  täglichen Leben begegnen wir Auswirkungen dieser Prozesse. Auch für die  Entwicklung der so genannten Quanten-Computer ist das Verständnis der  Wechselwirkungen zwischen einzelnen Lichtteilchen, Photonen, und Atomen  entscheidend.

Vom Einzelatom zum  Schaltkreis
Das einfachste System zur Untersuchung der Wechselwirkung  zwischen Licht und Materie besteht aus einem so genannten Hohlraum-Resonator, in  dem genau ein Lichtteilchen, ein Photon, und ein Atom eingesperrt sind (Cavity  quantum electrodynamics, cavity QED). Die Experimente sind hierbei extrem  aufwändig, da die Wechselwirkung sehr schwach ist. Eine sehr viel stärkere  Wechselwirkung ließe sich mit nanostrukturierten Schaltkreisen erzielen, in  denen bei Temperaturen knapp über dem absoluten
Nullpunkt Metalle wie  Aluminium supraleitend werden (circuit QED).

Richtig aufgebaut verhalten  sich die vielen Milliarden Atome der nur wenige Nanometer dicken Leiterbahnen  des Schaltkreises so wie ein einziges künstliches Atom und gehorchen den  Gesetzen der Quantenmechanik. Im einfachsten Fall erhält man so ein System mit  zwei Energiezuständen, ein so genanntes Quanten-Bit oder Qbit. Die Kopplung  solcher Systeme mit Mikrowellen-Resonatoren hat sich zu einem rasch wachsenden  neuen Forschungsgebiet entwickelt, da Wissenschaftler die Nano-Schaltkreise  anders als bei cavity QED-Systemen in weiten Bereichen gezielt maßschneidern  können.

Zehnmal stärkere  Wechselwirkung
Physiker der Technischen Universität München (TUM), des  Walther-Meißner-Instituts für Tieftemperaturforschung der Bayerischen Akademie  der Wissenschaften (WMI) und der Universität Augsburg haben nun zusammen mit  Partnern aus Spanien eine ultrastarke Wechselwirkung von Mikrowellen-Photonen  mit den Atomen eines solchen nanostrukturierten Schaltkreises  realisiert.

Für ihre Messungen fingen die Wissenschaftler das Photon in  einer speziellen Box ein, einem Resonator. Dieser besteht aus einer  supraleitenden Niob-Leiterbahn, die an beiden Enden mit für Mikrowellen sehr gut  reflektierenden „Spiegeln“ ausgestattet ist. In diesem Resonator wird das  künstliche, aus einem Aluminium-Schaltkreis bestehende Atom so platziert, dass  es mit dem Photon optimal wechselwirken kann. Die ultrastarken Wechselwirkungen  erzielten die Forscher, indem sie ein weiteres supraleitendes Bauteil in ihren  Schaltkreis einfügten, einen so genannten Josephson-Kontakt.

Die im  Experiment gemessene Wechselwirkungsstärke erreichte bis zu zwölf Prozent der  Resonatorfrequenz. Sie ist damit zehnmal stärker als bisher in circuit QED  Systemen gemessene Wechselwirkungen und viele tausendmal stärker als die in  echten Hohlraum-Resonatoren messbaren Effekte.

Effekte  jenseits der bisherigen Theorie
Doch mit dem Erfolg schufen die  Wissenschaftler auch ein neues Problem: Bisher beschrieb die schon 1963  entwickelte Jaynes-Cummings-Theorie alle beobachteten Effekte gut. Im Gebiet der  ultrastarken Wechselwirkungen scheint sie jedoch nicht mehr zu gelten. „Die  Spektren sehen so aus, als hätten wir es hier mit einem völlig neuen Objekt zu  tun”, sagt Professor Gross. „Die Kopplung ist so stark, dass das  Atom-Photon-Paar als eine neue Einheit betrachtet werden muss, eine Art Molekül  aus einem Atom und einem Photon.“

Dies genauer zu untersuchen, wird  Experimentalphysiker und Theoretiker noch eine Weile beschäftigen. Experimentell  in diesen Bereich vorstoßen zu können, eröffnet den Wissenschaftlern aber jetzt  schon eine Vielzahl neuer experimenteller Möglichkeiten. Die gezielte  Manipulation solcher Paare aus Atom und Photon könnte der Schlüssel zur  Quanten-basierten Informationsverarbeitung sein, den so genannten  Quanten-Computern, die den heutigen Computern haushoch überlegen wären.

http://www.g-o.de/wissen-aktuell-12032-2010-07-30.html

wenn es uns gelingt den mensch mit niob anzureichern,dann könnten wir ihn in einem entsprechendem spiegelmagnetfeld zwischen rückstrahlendem aluminiumtag und dunkler nacht fernsteuern?