Forschern gelang erstmals eine Quantenverschränkung bei Raumtemperatur
Fünf Teams haben in Gemeinschaftsarbeit jetzt einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einem Quantencomputer gemacht. Physiker der Universitäten Stuttgart, Ulm, Bochum und Darmstadt sowie des Darmstädter Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung erzeugten ein stabiles Quantenregister aus mehreren Quantenbits.
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.
Foto: Universität Stuttgart
Vom Quantencomputer träumen und sprechen Physiker schon lange. Stets meinten sie bisher gigantische Apparaturen im Hochvakuum, heruntergekühlt auf Weltraumtemperaturen mit Nebel und Laserstrahl. Solche wuchtigen Laboranlagen taugen für Physikerträume, haben aber mit einem Quantencomputer, der alltagstauglich sein soll, nichts gemeinsam. Jetzt ist es einem Forscherteam erstmals gelungen, die wohl größte Hürde auf dem Weg zu einem im Alltag funktionierenden Quantencomputer zu nehmen: die Notwendigkeit der extremen Kühlung.
Die Grundeinheit bei jeder digitalen Datenverarbeitung sind die beiden Bit-Zustände „0“ und „1“. Ein herkömmlicher Computer kann genau diese beiden Zustände nacheinander auslesen. Die Grundeinheit beim Quantencomputer ist das Quantenbit, zärtlich Qubit oder Qbit abgekürzt. Dieses Qbit kann gleichzeitig jeden Zustand zwischen der Null und der Eins auslesen, kann somit sehr viel mehr Information parallel verarbeiten und codieren. Mehr Information in weniger Zeit verarbeiten, das verspricht somit die Quanteninformationsverarbeitung (QIV): QIV würde daher die Datenverarbeitung revolutionieren. Möglich macht diese Zauberei eine Eigenschaft aus der Quantenwelt, die die Forscher Verschränkung getauft haben. Zwei verschränkte Quantenteilchen können Information über große Entfernung austauschen. Sie sind derart verkoppelt, dass die ausgelesene Information über ein Teilchen immer sofort auch die vollständige Information über das Partnerteilchen liefert. Genau diese Eigenschaft der Qbits lässt die Physiker von Quantencomputern träumen, die endlich eine wirklich sichere Datenverschlüsselung ermöglichen. Wirklich sicher einfach schon deswegen, weil es mit Quantencomputern möglich wäre, Millionen mal mehr Daten zur Verschlüsselung zu benutzen, als mit normalen Rechnern, die ja immer brav alle Information nacheinander auslesen.
Erstmals ein Quantenregister bei Raumtemperatur realisiert
Das Physikerteam um Professor Jörg Wachtrup vom Physikalischen Institut der Universität Stuttgart hat nun erstmals ein Quantenregister aus Qbits herstellt, welches bei Raumtemperatur funktioniert und in dem die in den Qbits hinterlegten Informationen relativ lange stabil sind. Sie haben Speicherzeiten in der Größenordnung von Millisekunden erzielt, welches für reale Anwendungen ausreichend ist. Somit rückt die echte QIV näher heran. Herzstück ihres Quantenregisters ist ein Diamant. In diesen Diamanten haben die Forscher jeweils zwei zugeordnete magnetische Stickstoff-Fehlstellen-Zentren als Quantenbits eingeschleust. Diese heikle Aufgabe hat das RUBION gelöst, die Zentrale Einrichtung für Ionenstrahl und Radionuklide der Ruhr-Universität Bochum. Jedes dieser Stickstoff-Fehlstellen-Zentren weist einen Elektronen- und zusätzlich einen Kernspin auf, die beide als ein Qbit verwendet werden können.
Magnetische Kopplung für den Informationsaustausch
Der Trick der Forscher liegt in der Nähe der Zentren. Sie haben die Zentren so nahe nebeneinander platziert, dass es möglich ist durch die magnetische Kopplung der Elektronenspins die Quanteninformationen auszutauschen. Die Elektronenspins der Zentren dienen dabei zur schnellen Berechnung und Übertragung der Information, bilden also den Quanten-Prozessor. Die Kernspins der Zentren nutzen die Forscher für die robuste Speicherung der ausgetauschten Informationen. Diese bilden, um im Bild zu bleiben, die Quanten-Festplatte. Weil die Kernspins wesentlich weniger anfällig sind für Störungen, erreichen die Physiker mit ihrem Diamanten Speicherzeiten in der Größenordnung von Millisekunden. Diese Millisekunden reichen aus, um die Information von den Kernspins herunter zu holen und konventionell zu speichern. Das Quantenregister im Diamanten bringt somit erste funktionierende Ansätze für einen echten Quantencomputer mit. Zudem ist es möglich, im Diamanten eine beliebige Anzahl der Zentren nebeneinander zu positionieren. Ein wichtiger und vor allem riesengroßer Schritt hin zum Quantencomputer im Alltag.
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