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Rydberg-Atome überleben bei Raumtemperatur mehr als 10 Millisekunden – und könnten Neutralatom-Quantencomputer verändern
Forscher der Universität Stuttgart haben einzeln gefangene zirkulare Rydberg-Atome bei Raumtemperatur länger als zehn Millisekunden stabil gehalten. Für den Zustand n=101 wurden 11,5 Millisekunden gemessen – rund 21-mal länger als die erwartete freie Lebensdauer. Der Trick: Die Forscher verändern die elektromagnetische Umgebung des Atoms.
Rydberg-Atome gehören zu den faszinierendsten Bausteinen moderner Quantentechnologien.
Ihr äußerstes Elektron befindet sich in einem extrem hoch angeregten Zustand und kann sich weit vom Atomkern entfernen.
Dadurch entstehen ungewöhnlich starke Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen – eine Eigenschaft, die für Quantencomputer, Quantensimulatoren und Präzisionsmessungen interessant ist.
Doch Rydberg-Zustände besitzen ein Problem:
Sie zerfallen.
Mehr als zehn Millisekunden Lebensdauer
Das Team um Florian Meinert berichtet nun in Nature Communications über einzeln gefangene zirkulare Rydberg-Atome mit Lebensdauern von mehr als zehn Millisekunden.
Für einen Zustand mit der Hauptquantenzahl n=101 wurde eine Lebensdauer von 11,5(8) Millisekunden gemessen.
Die erwartete freie Lebensdauer dieses Zustands beträgt etwa 545 Mikrosekunden.
Das Experiment verlängert sie damit um ungefähr Faktor 21.
Der Feind kommt aus der Umgebung
Eine wichtige Ursache für den Zerfall von Rydberg-Zuständen bei Raumtemperatur ist Schwarzkörperstrahlung.
Die thermische Umgebung enthält elektromagnetische Photonen, die Übergänge zwischen atomaren Zuständen auslösen können.
Eine naheliegende Lösung wäre extreme Kühlung.
Die Stuttgarter Forscher verfolgen jedoch einen anderen Weg.
Die Umgebung des Atoms wird verändert
Das Team nutzt den sogenannten Purcell-Effekt beziehungsweise dessen Unterdrückung.
Durch eine gezielt konstruierte elektromagnetische Umgebung werden bestimmte Strahlungsmoden unterdrückt.
Das Atom befindet sich weiterhin in einer Apparatur bei Raumtemperatur – aber für bestimmte Übergänge steht ein wesentlich kleineres elektromagnetisches Modenspektrum zur Verfügung.
Dadurch werden Zerfallsprozesse drastisch reduziert.
Das ist konzeptionell bemerkenswert:
Die Forscher schützen den Quantenzustand nicht nur durch Kontrolle des Atoms. Sie verändern die Umgebung, in der das Atom existiert.
Rydberg-Atome bis n=103 kontrolliert
Das Team demonstriert zusätzlich kohärente Kontrolle zirkularer Rydberg-Zustände bis zur Hauptquantenzahl n=103.
Die Atome konnten außerdem mit optischen Tweezern über Zeiträume von rund hundert Millisekunden gefangen werden.
Damit werden extrem große atomare Zustände gleichzeitig langlebiger und kontrollierbarer.
Warum das für Quantencomputer interessant ist
Neutralatom-Quantencomputer verwenden Rydberg-Wechselwirkungen, um Qubits miteinander zu koppeln und Quantengatter auszuführen.
Die Lebensdauer der beteiligten Zustände setzt dabei fundamentale Grenzen für Gate-Fidelity, Kohärenz und mögliche Experimentdauer.
Längere Rydberg-Lebenszeiten könnten deshalb grundsätzlich größere und komplexere Quantensimulationen sowie robustere Kontrollverfahren ermöglichen.
Lebensdauer ist nicht gleich Kohärenzzeit
Hier ist allerdings eine wichtige Unterscheidung notwendig.
Ein Atom kann lange in einem bestimmten Zustand verbleiben, während eine empfindliche Quantensuperposition trotzdem wesentlich früher ihre Phaseninformation verliert.
Eine Lebensdauer von 11,5 Millisekunden bedeutet deshalb nicht automatisch, dass ein Qubit 11,5 Millisekunden vollständig kohärent bleibt.
Magnetische und elektrische Feldgradienten sowie technische Störungen begrenzen die tatsächlich nutzbare Kohärenz weiterhin.
Ein neues Prinzip des Quantum Engineering
Trotzdem zeigt das Experiment eine zunehmend wichtige Richtung der Quantenforschung.
Quantensysteme müssen nicht ausschließlich immer stärker von ihrer Umgebung isoliert werden.
Die Umgebung selbst kann konstruiert werden.
Environment → Engineering → Protection → Quantum Control.
Statt permanent gegen die Natur eines Quantensystems anzukämpfen, verändert man seine physikalische Umgebung so, dass unerwünschte Prozesse weniger wahrscheinlich werden.
Dieses Prinzip könnte weit über Rydberg-Atome hinaus relevant werden.
Quelle und Forschungsstatus
Einius Pultinevicius et al.: Long-lived giant circular Rydberg atoms at room temperature, Nature Communications 17, 9834 (2026), veröffentlicht am 15. September 2026. Peer-reviewed und experimentell.
