Die Tücken des UV-Lasers

Auf Sonnencreme darf Dimitris bei seinen Tauchgängen nicht verzichten. Er habe die deutsche Haut seiner Mutter, scherzt er. Doch nicht nur der Sommer am Meer, auch die Arbeit in einem optischen Labor ohne Tageslicht birgt ein gewisses Sonnenbrandrisiko. Um Atome in Rydberg-Zustände anzuregen, brauche es energiereiche Photonen aus dem ultravioletten Bereich, erklärt der Physiker. „Die Wellenlänge meines UV-Lasers liegt im Sonnenspektrum.“ Weil das UV-Licht, wie das Licht aller anderen Laser auch, an Staubpartikeln, Unebenheiten auf Spiegeln und so weiter zu einem sehr kleinen Anteil unkontrolliert in verschiedene Richtungen gestreut werde, müsse bei der Arbeit am laufenden Experiment ein Gesichtsschutz getragen werden. Vielleicht wäre Sonnencreme auch für sein Labor eine Lösung, überlegt Dimitris belustigt.

Die Arbeit mit UV-Lasern bringt aber noch weitaus größere Herausforderungen mit sich als sich vor Sonnenbrand schützen zu müssen. Zum Beispiel wenn man Glasfasern einsetzen möchte. Diese bieten in optischen Experimenten unter anderem den Vorteil, dass sich Licht sehr flexibel von einer Stelle zur anderen führen lässt. Der Laser und das Ziel, das der Laserstrahl treffen soll – in Dimitris Fall die Atome in der Vakuumzelle – können damit auch voneinander entfernt positioniert werden. Auch lässt sich der Laserstrahl mit einer Glasfaser stabiler auf das Ziel ausrichten. „Eigentlich sind Glasfasern für uns einfach ein Werkzeug. Wir kaufen sie, wir benutzen sie, Punkt“, erzählt der Physiker. Doch Fasern für UV-Licht seien eher Forschungsobjekte als Werkzeuge und nicht kommerziell erhältlich. Grund hierfür ist ein Effekt, der als Solarisation bezeichnet wird. Die energiereiche UV-Strahlung setzt im Glas chemische Reaktionen in Gange, die dazu führen, dass dessen Lichtdurchlässigkeit stark abnimmt. „Wenn ich eine ganz normale Glasfaser nehme und UV-Licht durchschicke, ist die Transmission in ein paar Stunden auf null. Dann geht nichts mehr durch.“ 

Die Lösung des Problems liege in einer Art „Passivierungsprozess“, fährt der Doktorand fort, bei dem man in einem ersten Schritt Wasserstoff in der Glasfaser anreichere. Durch die im Glas dann zusätzlich vorhandenen Wasserstoffmoleküle rege das UV-Licht, das man im zweiten Schritt durch die Faser schicke, andere Reaktionen an, deren Ergebnis sich nicht auf die UV-Transmission auswirke. „Die Glasfaser bleibt dann dauerhaft transparent für UV-Licht.“ Die Wasserstoffanreicherung hätten sie von einer Firma durchführen lassen, die über eine entsprechende Vorrichtung verfüge, erzählt Dimitris. „Dabei müssen die Fasern für zwei Wochen bei über 40 Grad in einer mit Wasserstoffgas befüllten Druckkammer gelagert werden. Es braucht 100 bis 200 bar!“ Im Wasser entspräche das dem Druck bei 1000 bis 2000 Metern Tiefe. Doch auch die Handhabung der Fasern nach ihrem „Wasserstoffbad“, vor allem das Einkoppeln des UV-Lichts in die Faser, sei mit zahlreichen Tücken verbunden. Zusammen mit einem Kollegen habe er viel Zeit und Nerven in die Herstellung von UV-Fasern investiert. Wenn Dimitris von den Schwierigkeiten erzählt, mit denen sie dabei konfrontiert wurden, scheint jedoch nie das Problem im Fokus zu stehen. Vielmehr scheint die Begeisterung zu überwiegen, wenn er dem Grund für das Problem Schritt für Schritt auf die Schliche kommt und sich nach und nach die Lösung des Problems abzeichnet. Mittlerweile hätten sie UV-Fasern mehrere Wochen lang erfolgreich im Experiment verwendet, sagt der Doktorand. Dass die Wasserstoffanreicherung an eine Firma ausgelagert werden müsse, mache das Ganze jedoch zu einer langwierigen und unflexiblen Angelegenheit. „Wechsel zu neuen UV-Wellenlängen oder Fehler beim Passivierungs-Prozess sind so mit monatelangen Wartezeiten verbunden“, fügt Dimitris hinzu und die Augen hinter der runden Brille verraten, dass ihm ein derartiger Ablauf viel zu ineffizient ist. „Als ich in einem Meeting um Erlaubnis gebeten habe, eine Wasserstoff-Druckkammer in den Garten des MPQs zu bauen, hat mein Postdoc wortlos sein Handy gezückt und uns allen ein Foto der explodierenden Hindenburg gezeigt“, erzählt er lachend. Selbstverständlich sehe er ein, dass man nicht so ohne Weiteres eine solche Anlage am MPQ errichten könne. Ihre Erkenntnisse hätten deshalb erstmal zu einer sehr pragmatischen Lösung geführt: Auf die Vorteile von UV-Fasern zu verzichten und den UV-Laser ganz nah an der Vakuumkammer mit den Atomen zu platzieren. Für ihr Experiment sei das aktuell erstmal ausreichend.

Ein wichtiger Durchbruch für das Quantencomputing mit gefangenen Atomen

Umso größer ist die Freude, dass sie an anderer Stelle einen großen Durchbruch erzielen konnten: „Dass wir es als Team geschafft haben, endlich das Problem mit den elektrischen Feldern zu lösen – darauf bin ich besonders stolz.“ Überall im Experiment, wo nicht-leitende Materialien verbaut sind, könnten elektrische Ladungen sitzen, beginnt der Physiker seine Erklärung, insbesondere auch auf den Glaswänden der Vakuumzelle. Das passiere ganz automatisch, weil das Laserlicht immer wieder mal Elektronen aus dem Material rausschlage. Weil die Ladungen auf nicht-leitenden Materialien wie Glas nicht abfließen können, bilde sich innerhalb der Glaszelle ein elektrisches Feld aus. Atome im Rydberg-Zustand, als elektrische Dipole, reagierten sehr empfindlich auf diese ungewollten elektrischen Felder, führt Dimitris weiter aus. „Das Energieniveau des Rydberg-Zustands, und somit auch die benötigte Laserfrequenz, mit der ich das Atom in diesen Zustand anrege, verschiebt sich andauernd.“ Mehrmals am Tag müsse nachgemessen werden, was jetzt gerade die richtige Übergangsfrequenz sei, und der Laser dann darauf eingestellt werden. „Ansonsten funktioniert nichts mehr mit den Zwei-Qubit-Gattern.“ Damit kämpften alle Labore weltweit. Aus einem befreundeten chinesischen Labor sei schließlich eine eigentlich simple, aber sehr pfiffige Idee gekommen: Ein Teil der vielen Atome, die sich zu Beginn erstmal als ungeordnete „Wolke“ in der Vakuumzelle befinden, wird mit Hilfe eines Lasers ionisiert. Die dabei entstehenden freien Ladungen werden entlang der Feldlinien an die Wände der Glaszelle gezogen und zwar so lange, bis sich ein Gegenfeld aufgebaut hat, welches das unerwünschte Störfeld aufhebt. Erst im Anschluss würden Atome aus der „Wolke” mit weiteren Lasern gefangen und in regelmäßigen Abständen zum Quantenprozessor angeordnet. Aufbauend auf dieser Idee aus China, erarbeitete das Team aus Dimitris Labor eine deutlich effizientere, universellere und günstigere Lösung, um die Atome zu ionisieren und das Störfeld zu beseitigen. Das Labor aus China habe für die Ionisierung einen UV-Laser benutzt, erzählt Dimitris. Sie hingegen hätten zeigen können, dass die Ionisierung sogar schneller funktioniere, wenn man eine einfache blaue Laserdiode verwende, welche zum einen deutlich günstiger sei als ein UV-Laser und zum anderen viel einfacher in der Handhabung. „Man nimmt die Diode, steckt Strom rein, richtet sie auf die Atomwolke. Fertig.“ Zudem hätten sie zeigen können, dass ihre Methode für alle relevanten Elemente funktioniere, ganz egal ob ein Labor nun beispielsweise mit Strontium-, Ytterbium-, Rubidium-, oder Caesium-Atomen arbeite. „Wir hingen an der Sache über ein Jahr. Das war ein großes Ding.“ Gerade schreibt Dimitris eifrig an der Publikation dazu.