Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI, der ETH Zürich und der Universität Amsterdam konnten erstmals direkt den optischen Magnus-Effekt beobachten. Das Phänomen ist das optische Gegenstück zu einem Effekt aus der klassischen Mechanik. Für Quantencomputer ist er relevant, weil er die präzise Kontrolle ihrer grundlegenden Informationseinheiten, der Qubits, beeinflusst.
Tischtennisprofis sind wahre Meister im Umleiten schneller Projektile. Ein gezielter Drall beim Anschlag lässt den kleinen weissen Ball geradeaus auf die Kante fliegen und im letzten Moment doch noch in einer engen Kurve in die linke Ecke ziehen. Die Mechanik hinter diesem sportlichen Kniff ist als Magnus-Effekt bekannt. Er wirkt auf Bälle ganz unterschiedlicher Grösse und hat auch im Fussball schon zu manchem Sieg verholfen.
Eine internationale Forschungskollaboration am Paul Scherrer Institut PSI wagte nun den Schritt vom Ball zum Atom und schaffte es erstmals, den sogenannten optischen Magnus-Effekt experimentell nachzuweisen. Dabei fliegt allerdings kein Atom auf einer Kurvenbahn. Stattdessen richten die Forschenden einen stark gebündelten Laserstrahl auf ein einzelnes Ion und beobachten die daraus resultierende Wechselwirkung.
Damit konnten sie zeigen, dass das Maximum dieser Wechselwirkung seitlich verschoben ist – eine wichtige Erkenntnis für die Entwicklung von Quantencomputern, bei denen Laserlicht zur präzisen Steuerung von Qubits zum Einsatz kommt. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.
Wenn das Zentrum plötzlich danebenliegt
Richtet man einen stark fokussierten Laserstrahl auf ein Ion, so würde man die stärkste Wechselwirkung dort erwarten, wo der Laserstrahl am intensivsten ist: in seinem Zentrum. Doch durch die starke Bündelung des Lasers verändert sich auch die räumliche Struktur seines elektromagnetischen Feldes. Das führt dazu, dass die Wechselwirkung mit dem Ion nicht mehr genau im Zentrum des Laserstrahls am stärksten ist, sondern ein kleines Stück seitlich davon. Diese seitliche Verschiebung ist das optische Gegenstück zum Magnus-Effekt beim Tischtennisball.
Und genau wie eine unerwartete Verschiebung im Sport zum Ballverlust führen kann, kann sie in Quantencomputern zum Verlust von Kontrolle führen. Denn dort wird Laserlicht eingesetzt, um den Zustand von Qubits gezielt zu verändern. Der optische Magnus-Effekt kann diese präzise Steuerung beeinträchtigen und dadurch zu Fehlern beitragen, wenn er nicht berücksichtigt wird.
Zugleich steckt in diesem Effekt auch eine Chance: «Die dabei entstehenden Kräfte könnten genutzt werden, um Qubits miteinander zu koppeln und so komplexere Berechnungen zu ermöglichen», erklärt Erstautor Philip Leindecker vom Zentrum für Photonenforschung des PSI und vom Departement Physik der ETH Zürich.
Eine Landkarte des Laserlichts
Um den optischen Magnus-Effekt sichtbar zu machen, nutzten die Forschenden ein einzelnes Kalzium-Ion als eine Art winzige und äusserst empfindliche Sonde. Das elektrisch geladene Atom wird dabei in einer sogenannten Ionenfalle mithilfe elektromagnetischer Felder nahezu bewegungslos an einer bestimmten Position festgehalten. Solche gefangenen Ionen kommen auch in Quantencomputern zum Einsatz: Dort können sie als Qubits dienen, deren Quantenzustand sich mithilfe von Laserlicht gezielt verändern lässt.
Für ihr Experiment untersuchten die Forschenden, wie stark das Kalzium-Ion an verschiedenen Stellen mit dem Licht eines stark fokussierten Lasers wechselwirkt. «Unser Ion funktioniert dabei wie ein winziger Sensor, den wir nutzen können, um die Struktur des Laserlichts abzutasten», erklärt Leindecker. «Damit wird eine Verschiebung messbar, die lediglich einige Hundert Nanometer beträgt.» Dabei zeigte sich auch eine überraschende Eigenschaft des Effekts: Die Grösse der Verschiebung hängt allein von der Lichtwellenlänge ab und nicht davon, wie stark der Laser fokussiert wird.
Den optischen Magnus-Effekt hatten Forschende der Universität Amsterdam bereits einige Jahre zuvor theoretisch vorhergesagt. Mit dem gefangenen Kalzium-Ion gelang es dem Team nun erstmals, den optischen Magnus-Effekt zu beobachten und genauer zu charakterisieren.