So können Quantencomputer alltagstauglich werden

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Nummer 38 - Bochum, 11.02.2013

So können Quantencomputer alltagstauglich werden

Forscherteam berichtet in „Nature Physics“

Verschränkte Quantenbits bei Raumtemperatur erzeugt

Der nächste Schritt auf dem Weg zum kommerziell einsatzfähigen Quantencomputer ist getan. Unter Federführung der Universität Stuttgart erzeugten Forscher Quantenbits, indem sie Stickstoffatome in Diamant implantierten und per Laser und Mikrowellen manipulierten. Zum ersten Mal gelang es ihnen, die zu speichernde Information von gekoppelten Elektronen auf die Kerne der Stickstoffatome zu übertragen. Das erlaubt eine längere Speicherdauer als mit bisherigen Verfahren, und das bei Raumtemperatur. Die Elektronen dienten also zum Manipulieren und Auslesen der Information, die Atomkerne zur Speicherung. Die Speichereinheiten koppelten die Forscher so aneinander, dass sie untereinander Informationen austauschen konnten. Das Team der Ruhr-Universität Bochum, der Universitäten in Stuttgart, Ulm und Darmstadt sowie des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt berichtet in der Zeitschrift „Nature Physics“.

Quantenspeichereinheiten müssen isoliert, aber trotzdem manipulierbar sein

Die Grundeinheit der heutigen Datenverarbeitung sind die Bit-Zustände „0“ und „1“. Quantenbits oder kurz „Qubits“ können beide Zustände gleichzeitig annehmen und somit wesentlich mehr Information codieren. „Das Problem der Quantencomputer ist, dass man sie möglichst von der Umwelt isolieren muss, damit sie ihre quantenmechanischen Eigenschaften nicht verlieren. Andererseits möchte man sie aber auch gezielt manipulieren können. Man muss also an das isolierte System herankommen“, erklärt Prof. Dr. Jan Meijer, früher am RUBION der Ruhr-Universität Bochum tätig, heute an der Universität Leipzig. Als Datenspeicher dienten in der aktuellen Studie einzelne Stickstoffatome in Diamant, die die Forscher mit Laserstrahlen und Mikrowellen manipulierten. Die dafür notwendige Ionenimplantation ist eine Spezialität der Mitarbeiter am RUBION.

Implantieren mit hoher Präzision: „Eine Kugel von München nach Bochum werfen.“

Im Extremfall lassen sich mit der Ionenimplantation einzelne Atome mit einer seitlichen Abweichung von nur einem Atomdurchmesser platzieren. Im aktuellen Fall war die Herausforderung besonders groß, da die Stickstoffatome möglichst tief im Diamant landen mussten, der Abstand zwischen ihnen jedoch nicht mehr als 20 Nanometer betragen durfte. Hierzu nutzten die Wissenschaftler aus Bochum Masken mit Löchern von weniger als 20 Nanometern Durchmesser und einer Dicke von mehreren Mikrometern – hergestellt vom Helmholtzzentrum in Darmstadt. „Ein Stickstoffatom mit dieser Genauigkeit mehrere Mikrometer tief in den Diamant einzubringen, ist so, als würde man in München stehen und müsste eine Kugel durch eine Pipeline in Bochum mit einer Länge von 100 m und einer 20 cm breiten Öffnung werfen“, verbildlicht Jan Meijer. „Wir haben eine Trefferquote von zwei Prozent erzielt – das ist erstaunlich gut.“

Stickstoffatome und Leerstellen im Kristallgitter bilden die Speichereinheiten

Die Wissenschaftler erzeugten Leerstellen in Diamant-Kristallgittern und implantierten Stickstoffatome. Eine solche Leerstelle zusammen mit einem Stickstoffatom bildet ein Farbzentrum, das sogenannte NV-Zentrum, das sich über Laserlicht und Mikrowellen manipulieren lässt – die Quantenspeichereinheit oder Qubit. Diamant besitzt die höchste bekannte Atomdichte; das schirmt die Qubits von der Umwelt ab. Da das Material aber auch durchsichtig ist, kann Laserlicht die Speichereinheit erreichen. Dem Team gelang es, sogenannte verschränkte Qubits zu erzeugen, die magnetisch aneinander gekoppelt sind: Liest man ein Qubit aus, erhält man unmittelbar Informationen über weitere Qubits. „Diese Eigenschaft unterscheidet sie grundlegend von klassischen Speichereinheiten, bei denen man Wechselwirkungen um jeden Preis vermeiden muss“, sagt Meijer. Um unter natürlichen Bedingungen überhaupt solche verbundenen Quantenbauelemente zu erschaffen, nutzte das Team hochreine künstliche Diamanten aus 12C, also Kohlenstoff ohne 13C-Isotope, mit perfekt geordnetem Kristallgitter. 13C-Isotope würden ein störendes Magnetfeld erzeugen.

Quanteninformationen teleportieren und speichern

Um Information zu speichern und auszulesen, wandten die Physiker in Stuttgart einen Trick an: Sie nutzten Elektronen und Atomkerne für unterschiedliche Aufgaben, nämlich als Prozessoren und Speicher. Durch Einstrahlen von Laserlicht übertrugen sie zunächst Informationen auf Elektronen der NV-Zentren; die Wechselwirkung zweier Elektronen definierte in diesem Moment die Quanteninformation. Dann leiteten sie die Information von den Elektronen auf die Atomkerne der Stickstoffatome weiter, genauer gesagt auf deren Spin. Dieses Verfahren heißt Quantenteleportation, da die Quanteninformation quasi instantan übertragen wird. Obwohl Atomkerne nicht wechselwirken können, bleibt die vollständige Information in ihnen erhalten und lässt sich auf die Elektronen zurück transferieren.

Gezielter adressieren und länger speichern

Manipulation und Auslesen der Speichereinheiten erfolgte also mittels der Elektronen, die eigentliche Speicherung durch den Kern. Im Vergleich zu vorherigen Verfahren erlaubt diese Methode, einzelne Qubits gezielter zu adressieren. Außerdem ließ sich die Information mehrere Millisekunden lang speichern, also um Größenordnungen länger als zuvor – und das bei Raumtemperatur. „Das Verfahren eröffnet erstmals die Möglichkeit, die Manipulation der Qubits von deren Speicherung zu trennen, ohne dass aufwendiges Kühlen oder komplexe Aufbauten wie Ionenfallen nötig sind“, resümiert Meijer. „Quantencomputer sind nicht nur technisch machbar, sondern können auch für den alltäglichen Gebrauch entwickelt werden.“

Titelaufnahme

F. Dolde, I. Jakobi, B. Naydenov, N. Zhao, S. Pezzagna, C. Trautmann, J. Meijer, P. Neumann, F. Jelezko, J. Wrachtrup (2013): Room-temperature entanglement between single defect spins in diamond, Nature Physics, doi: 10.1038/NPHYS2545

Redaktion

Dr. Julia Weiler
Pressestelle RUB

Weitere Informationen

Prof. Dr. Jan Meijer, früher: RUBION der Ruhr-Universität Bochum, jetzt: Institut für Experimentelle Physik II, Universität Leipzig, Tel. 0151/14274148
jan.meijer@uni-leipzig.de

 

Das Experiment im Überblick

1. Die Spins der Elektronen (rot) werden ausgerichtet. 2. Aufgrund von magnetischer Wechselwirkung werden die Spins verschränkt. Das heißt, sie werden nun nicht mehr von zwei getrennten, sondern von einer gemeinsamen Wellenfunktion beschrieben. 3. Quantenteleportation: Die Information wird von den Elektronenspins auf die Kernspins (blau) übertragen. Anders als die Elektronenspins können die Kernspins nicht untereinander wechselwirken. 4. Die verschränkte Information ist in den Kernspins gespeichert. 5. Quantenteleportation: Die Information wird zurück auf die Elektronenspins übertragen. 6. Die verschränkten Zustände werden ausgelesen. Bei dem Messprozess geht die Verschränkung verloren, die Wellenfunktion „kollabiert“.

© Jan Meijer
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Speichereinheiten

Schematische Darstellung zweier Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant. Elektronenenspins in den Fehlstellen (orangene Pfeile) wechselwirken magnetisch und können verschränkt werden. Die Kernspins der Stickstoffatome (blaue Pfeile) können als Speicher genutzt werden.

© Universität Stuttgart
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