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Verschränkte Qubits in Diamant

IT/Physik.- Der Physiknobelpreis 2012 geht an zwei Forscher, die mit ihren Arbeiten die (theoretische) Entwicklung sogenannter Quantencomputer ein Stück vorangebracht haben. Wissenschaftler der Technischen Universität Delft schreiben nun im Fachmagazin "Nature Physics", ihnen sei ein weiterer Meilenstein gelungen.

Von Ralf Krauter | 15.10.2012
    An der Technischen Universität Delft tüftelt man seit Jahren intensiv am Bau eines Quantencomputers. Die aktuellen Ergebnisse belegen: Offenbar mit Erfolg. Den Forschern um Dr. Ronald Hanson ist nun ein weiterer Durchbruch gelungen.

    "Die Fortschritte belegen, dass unser Ansatz gute Chancen hat, beim Rennen um den Bau eines Quantencomputers die Nase vorn zu haben."

    Ronald Hanson setzt auf künstlichen Diamant als Herzstück eines künftigen Quantenrechners. Der Grund: Die Kohlenstoff-Atomkerne der hochreinen Kristalle verhalten sich wie winzige Magnetnadeln, die nach oben oder unten zeigen können. Das macht es möglich, Information zu speichern. Dank der bizarren Gesetze der Quantenwelt, können die Kompassnadeln sogar gleichzeitig nach oben und unten zeigen, sich also in einer Art Schwebezustand befinden. Qubits, so heißen solche filigranen Sowohl-als-auch-Systeme. Für den Bau eines Quantenrechners braucht man möglichst viele davon, die gut von der Außenwelt abgeschirmt sind. Diamantkristalle bieten dafür perfekte Vorraussetzungen.

    "Die Orientierung der Magnetnadeln im Kristall ist sehr robust gegenüber störenden Einflüssen von außen. Doch ihre Isolation hat eine Kehrseite. Sie sind schwer zu beeinflussen. Die winzigen Kompassnadeln sind zum Beispiel immun gegen die Bestrahlung mit Laserlicht. Um ihre Orientierung dennoch zu verändern, verwenden wir einen Trick. Wir benutzen ein einzelnes Elektron, das an einer bestimmten Stelle im Kristall gefangen ist. Dieses Elektron wirkt ebenfalls wie eine Magnetnadel und kann Information an die Kohlenstoffkerne weitergeben. Wir adressieren die Quantenbits also indirekt, indem wir ein Elektron als Übermittler einsetzen."

    Die Details sind kompliziert, doch die Ergebnisse beeindruckend. Mithilfe von Laserstrahlen und Mikrowellen konnten die Forscher zwei Diamant-Qubits präzise ansteuern, manipulieren und die gespeicherte Information wieder auslesen. Und damit nicht genug: Sie schafften es sogar, die subatomaren Kompassnadeln auf Knopfdruck zu 'verschränken', also zu einer Art quantenmechanischen Zwangsehe zu verschmelzen. Neben einem Ensemble langlebiger Qubits ist diese Verschränkung die zweite essenzielle Zutat eines Quantencomputers. Sie erlaubt es nämlich, Qubits so miteinander wechselwirken zu lassen, dass hochparallele Berechnungen möglich werden.

    "Die Verschränkung klappt in beinahe 100 Prozent aller Fälle. Das ist sehr wichtig, denn bei einem Quantencomputer will man natürlich, dass jede Rechenoperation, die man ausführt, auch funktioniert."

    Die beiden verschränkten Diamant-Qubits sind da natürlich erst der Anfang. Um normale Supercomputer alt aussehen zu lassen, müsste man wohl einige hundert bis tausend Qubits koppeln. Doch Ronald Hanson und Kollegen haben schon eine Idee, wie auch das gelingen könnte.

    "Die Rechnerarchitektur, die uns vorschwebt, basiert auf vernetzten Qubit-Ensembles. Derzeit können wir mit einem Vermittler-Elektron bis zu sechs Qubits ansprechen. Vermutlich lässt sich diese Zahl noch steigern, auf ein Dutzend Qubits oder so. Mehr geht aber wohl nicht, es gibt da einfach eine Grenze. Um sie zu umschiffen, wollen wir mehrere Qubit-Cluster miteinander verbinden."

    Die Arbeiten laufen schon. Im Labor in Delft stehen bereits zwei identische Versuchsaufbauten mit Diamantplättchen. Sie sind drei Meter voneinander entfernt und die Qubit-Ensembles darin sollen nun via Glasfaser gekoppelt werden. Haben die Forscher Erfolg, stünde dem Aufbau eines ernst zu nehmenden Quantencomputers mit mehreren Prozessoren im Prinzip nichts mehr im Weg.




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