Atomtronik: Forscher beleuchten die Post-Elektronik
Die meisten modernen Technologien verdanken ihren Erfolg den Fortschritten in der Elektronik. Jetzt beginnen Forscher mit der Erforschung der Atomtronik: Möglichkeiten, den Wellenfluss ganzer Atome, sogenannte Materiewellen, zu nutzen, um neue Arten von Sensoren, Computern und wissenschaftlicher Forschung zu ermöglichen.
Prof. Luigi Amico, Geschäftsführender Direktor für Quantenphysik an der TII Technology Innovation Institute in den Vereinigten Arabischen Emiraten, erklärt, warum wir kurz vor einer „zweiten Quantenrevolution“ stehen.
Die meisten technologischen Fortschritte im letzten Jahrhundert entstanden aus der Erkenntnis, dass Elementarteilchen wie Elektronen, Protonen und Photonen den Regeln der Quantenphysik gehorchen.
Elektronische Geräte wie Fernseher, Computer, Mobiltelefone und das Internet sind alle Ableger davon erste Quantenrevolution um die Jahrhundertwende entwickelt.
Heute befinden wir uns in der Welle einer zweiten Quantenrevolution, die aus einem tieferen Verständnis der Sammlung von elementaren Quantenteilchen. Für solche Verbundsysteme ist ein Phänomen bekannt als Verschränkung kann stattfinden. Ein charakteristisches Merkmal einer solchen Revolution namens Quantentechnologie ist, dass grundlegende und angewandte Forschungsarbeit eine Abkürzung sind, was bedeutet, dass physikalische Prinzipien und technologische Anwendungen eng miteinander verflochten sind.
Der Großteil der bestehenden Quantencomputerforschung beruht auf klassischer Hardware, die Elektronenströme manipuliert. Daher ist es nur natürlich und vorteilhaft, auf echte Quantenhardware umzusteigen, die mehr Arten von Elementarteilchen nutzen kann.
Atomtronik ist die Quantentechnologie atomarer Materie-Wellen-Schaltungen. Die physikalischen Prinzipien, die in atomtronischen Schaltungen ausgenutzt werden, unterscheiden sich stark von denen, die die Elektronik bestimmen. Daher wird erwartet, dass auf Geräte mit radikal neuen Funktionalitäten und Leistungen zugegriffen wird.
Ein Ziel ist es, neue Quantengeräte und ein neues Schaltungskonzept zu erarbeiten. Gleichzeitig kann die Atomtronik strombasierte Quantensimulatoren definieren, die die Materiewellenbewegung nutzen, um die Grundlagenforschung voranzubringen. Dieses Gebiet ist noch jung, aber die Beherrschung dieses neuen Bereichs könnte enorme Verbesserungen in der Sensorik, Berechnung und Kommunikation ermöglichen.
Es dauerte mehrere Jahrzehnte, um die Quantentheorie zu praktischen Geräten wie Fernsehern, Lasern und Halbleiterchips zu entwickeln. Diese Lücke wollen wir für die nächste Quantenrevolution verkürzen und ganze Quantenaggregate kontrollieren, in denen es zu Verschränkungen kommen kann. Atomtronics macht sich die Kernprinzipien der Quantentechnologie zunutze. Im Vergleich zu anderen Systemen zeichnen sich atomtronische Schaltungen durch ihre erhöhte und dynamische Flexibilität und ihre hervorragende Kontrolle der Betriebsbedingungen aus.
Das Ziel der Atomtronik ist die Herstellung von Schaltkreisen aus Atomen. In einer sehr groben Darstellung wird ein herkömmlicher Stromkreis durch Elektronen hergestellt, die sich in Kupferdrähten bewegen. In der Atomtronik werden Elektronen durch Atome und die Kupferdrähte durch eine geeignete Kombination aus Laser- und Magnetfeldern ersetzt, die die Atome führen. Bei den bisher erreichten Implementierungen werden die Fluide sich bewegender Atome auf sehr niedrigen Temperaturen (im Bereich von Hunderten von Nanokelvin) gehalten.
Unter diesen Bedingungen haben Atome neben ihrer Masse ganz andere Eigenschaften als Elektronen. Der Atomspin wird zur Schlüsselgröße. Die Laserlicht-„Kupferdrähte“ für atomtronische Schaltungen bieten sehr glatte Führungen für die Atome, und Schaltungen in praktisch jeder Form können realisiert werden.
Dies ermöglicht es Forschern, neue Wege zur Nutzbarmachung von Materiewellen in Schaltkreisen mit anderen Eigenschaften als bestehenden elektronischen Schaltkreisen in Betracht zu ziehen.
Ein weiterer wichtiger Unterschied zwischen elektronischen Standardschaltungen und atomtronischen Schaltungen geht auf die elektrische Ladung der Ladungsträger zurück. Elektronen sind elektrisch geladen, wodurch sie sich leicht mit elektrischen und magnetischen Feldern manipulieren lassen. Aus genau dem gleichen Grund können elektrische Ströme jedoch auf viele Arten abgelenkt werden, da Elektronen leicht durch Schaltkreisfehler und/oder Störeffekte beeinflusst werden (was zu einem für die Quantentechnologie wesentlichen unerwünschten Phänomen führt, das als Dekohärenz bekannt ist und nützliche Verschränkung zerstört).
Im Gegensatz dazu sind Atome, die in atomtronischen Schaltkreisen fließen, elektrisch neutral. Diese Eigenschaft bedeutet, dass kompliziertere Methoden erforderlich sind, um sie zu manipulieren. Es bedeutet auch, dass sie leichter zu isolieren und weniger anfällig für Dekohärenz sind.
Anwendungsmöglichkeiten
Verbesserte Sensoren könnten kurzfristig eine der vielversprechendsten Anwendungen sein. Zum Beispiel ermöglichen uns heute photonenbasierte Kreisel, Rotationen genau zu messen. Diese Geräte können zu High-End-Trägheitssensoren führen, die für autonome Fahrzeuge verwendet werden können, die ohne Verwendung von GPS-Signalen navigieren. Von atomtronischen Kreiseln wird erwartet, dass sie die Genauigkeit über längere Betriebszeiträume beibehalten und eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit im Vergleich zu photonischen Kreiseln versprechen.
Atomtronic-Rotationssensoren könnten neue Forschungsmöglichkeiten erschließen. Geophysiker haben zum Beispiel entdeckt, dass bei der Klassifizierung von Erdbeben winzige Rotationsänderungen noch mehr Aufschluss geben können als die einfache Messung der räumlichen Verschiebung, wie es die Standard-Seismographen derzeit tun. Diese Bewegungen können im Bereich von 10 liegen-7 – 10-11 Radianten pro Sekunde. Stellen Sie sich vor, Sie rotieren um 10-11 Radiant pro Sekunde. Sie würden länger als 30 Jahre brauchen, um eine vollständige Revolution zu vollenden. Die entsprechende Empfindlichkeit zum Erfassen einer so kleinen Drehung ist mit bestehenden Quantensensoren schwer, wenn nicht gar unmöglich zu erreichen, aber wir glauben, dass es möglich sein wird, Sensoren zu konstruieren, um diese Drehung mit Atomtronik zu erfassen.
Atomtronics könnte auch dazu beitragen, skalierbare integrierte dreidimensionale komplexe Materiewellenschaltkreise zu definieren. Herkömmliche Halbleiterschaltkreise bestehen aus einem 3D-Substrat, das auf einer Ebene angeordnet ist. Ingenieure malen Linien in diese Schaltung, um Transistoren, Gatter und komplexere logische Schaltungen zu erstellen. Bei der Atomtronik arbeiten Menschen an 2D-Schaltungen, die dynamisch rekonfiguriert werden können.
Eine bedeutende Herausforderung, der man sich in den kommenden Jahren stellen muss, ist die Integration der atomtronischen Schaltungen mit anderen bestehenden Technologien, wie z. B. photonisch integrierten Schaltungen. Solche Hybridnetzwerke können einen wertvollen Weg für die Herstellung integrierter 3D-Materiewellenschaltkreise darstellen.
Die heute beliebtesten Quantencomputer-Designs werden unter Verwendung von supraleitenden elektronischen Schaltkreisen gebaut. Langfristig kann die Atomtronik eine gute Plattform für Quantencomputer sein, die auf atomaren Bewegungen basieren.
Wir machen Fortschritte bei rekonfigurierbaren atomtronischen Schaltungen. Die Drähte in einer elektronischen Schaltung sind dauerhaft fixiert. Sie können Schalter verwenden, um Ströme auf verschiedenen Wegen zu leiten, aber die eigentlichen Drähte bleiben. Neue atomtronic-Designs bedeuten, dass Schaltungen neu geformt werden können, während die Schaltung in Betrieb ist. Aufgrund dieser Eigenschaften können atomtronische Schaltungen durch neue "analoge" Methoden wie Algorithmen für maschinelles Lernen manipuliert werden.
Auf diese Weise können Schaltungselemente mit exotischen „Strom-Spannungs“-Charakteristiken definiert werden. Dieser Weg kann zu neuen Schaltungselementen führen, auf die mit Standardelektronik nicht zugegriffen werden kann.
Beispielsweise könnte die Atomtronik zum mesoskopischen Bereich der Quantentechnologie zwischen der mikroskopischen Domäne der Atome und dem makroskopischen Bereich der fallenden Äpfel beitragen. Es würde den Forschern ermöglichen, die mesoskopische Forschung über das Studium statischer elektronischer Schaltkreise hinaus auszudehnen und auch andere dynamische Schaltkreise zu berücksichtigen, die andere Arten von Teilchenströmen beinhalten.
Der Großteil des bisher erworbenen Wissens zeigt, dass der Strom eine sehr effektive Sonde ist, um das mikroskopische Verhalten der Materiephasen bei niedriger Temperatur zu untersuchen.
Wir erforschen Möglichkeiten, atomtronische Schaltkreise als Simulatoren zu nutzen, um wichtige teilweise offene Fragen in der Hochenergiephysik wie Quantengravitation, Mesonenstreuung und Quark-Gluon-Plasmen anzugehen.
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Atomtronics ist eine äußerst kollegiale und offene globale Weltgemeinschaft, in der jeder Fortschritt auf diesem Gebiet intensiv geteilt wird. Diese Eigenschaft ist ein charakteristisches Merkmal der Physiker-Community, und wir sind optimistisch und gespannt darauf, mit Kollegen weltweit die nächste Revolution voranzutreiben.
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