Einsteins Abakus

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Die Frühjahrstagungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) sind für viele Nachwuchswissenschaftler die erste Gelegenheit, die eigenen Arbeiten vorzustellen. Ende März trafen sich die Forscher in Hannover und diskutierten unter anderem Experimente und Konzepte zur Quanteninformationsverarbeitung.

Teleportation, Quantenkryptographie und Quantencomputer sind publikumswirksame Schlagwörter. Aber bisher ist sich die Forschergemeinde weder einig über die dafür benötigte Hardware noch über die Algorithmen. Entsprechend groß ist die Vielfalt der Vorschläge: Quantenpunkte in Festkörpern sind ebenso im Gespräch wie in elektromagnetischen Feldern gefangene Atome, Kernspins oder supraleitende Josephson-Kontakte. Bei all diesen Experimenten geht es zunächst darum, die Verschränkung, die zum Qubit führt, möglichst lange aufrecht zu erhalten.

Ein Bit hat entweder den Wert 1 oder 0, ein Qubit dagegen nimmt beide Werte gleichzeitig an. Diese Superposition von Werten ist der Schlüssel zur Quanteninformationsverarbeitung, denn ein Register von Qubits stellt auf einen Schlag alle möglichen Werte dar, und eine Rechenoperation wirkt auf alle Zustände gleichzeitig. Allerdings macht jede Störung aus einem Qubit leider ein schnödes Bit. Wie man aus den Qubits ein möglichst skalierbares Quantengatter macht, müssen die Wissenschaftler ebenfalls zeigen.

Ferdinand Schmidt-Kaler von der Universität Innsbruck bevorzugt dafür die in elektrischen Wechselfeldern gespeicherten Ionen. Einzelne Ionen reiht er wie Perlen auf der Schnur in einer langgestreckten Ionenfalle auf und kühlt sie mit Laserlicht. Laserpulse regen die Zustände der einzelnen Ionen so an, dass sich das Ion in zwei Energiezuständen gleichzeitig befindet - fertig ist das Qubit. Jetzt müssen die Qubits noch zu einem Quantengatter zusammengeschaltet werden. Hier kommt ebenfalls die Laserkühlung ins Spiel: Die Ionenkette schwingt längs der Fallenachse, ist dabei aber so kalt, dass dies nur mit diskreten Energieleveln erfolgt. Ein Laser regt gezielt diese Schwingungsmoden an. Wenn dies gleichzeitig für zwei benachbarte Ionen passiert, hängt der Zustand des einen Ion vom Zustand des anderen ab. Ein „C-NOT-Gatter“ konnten die Innsbrucker damit bereits bauen. Auch einen Quantenalgorithmus demonstrierten die Innsbrucker. Bei alledem haben die Ionenfänger nur eine einzige Sekunde Zeit für ihre Experimente, bevor Störungen die Superposition zunichte machen.

Auch nur wenige Sekunden sind den Physikern der Uni Hannover vergönnt. Zuerst speichern Wolfgang Ertmer und seine Kollegen Rubidium-Atome in einer magnetooptischen Falle. Dann bestrahlen sie die Falle mit Laserlicht, das durch eine Platte mit Hunderten von Mikrolinsen geleitet wird. Jede der winzigen Linsen bündelt das Laserlicht zu einem Fokus, in dem Atome gefangen werden: Durch die zahlreichen Foki entsteht ein Lichtgitter mit einem Gitterabstand von etwa 125 µm. Jede einzelne Falle enthält Tausende Atome, und jede für sich ist per Laserstrahl adressierbar.

Im Idealfall sollte jede Falle nur noch ein Atom enthalten, das dann - in einem speziellen Zustand - als Qubit fungiert. Mit Hilfe von schräg eingestrahlten Laserstrahlen kann man den Abstand einzelner Fallen gezielt verändern und zwei Fallen so nah zusammenbringen, dass die darin gespeicherten Qubits miteinander wechselwirken - die Wissenschaftler nennen eine solche Vorrichtung „Quantengatter“. Vieles beruht noch auf Ideen und harrt der experimentellen Verwirklichung, aber die vielen Möglichkeiten der Minifallen faszinieren.

Allerdings werden auch 40 Quantengatter nicht ausreichen, um mit Quantencomputern Probleme zu lösen, vor denen herkömmliche Rechner kapitulieren müssten. Um dieses Ziel zu erreichen, müsste man rund 10 000 Qubits kontrollieren, meint Ignacio Cirac vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Da die Skalierbarkeit der vorhandenen Techniken gezeigt wäre, sei dies „konzeptionell kein Problem mehr“. Bereits in zehn Jahren könnte es „brauchbare“ Quantencomputer geben, schätzt der Physiker. Genauso sei es aber möglich, dass man bei der Kontrolle von 100 oder 1000 Atomen plötzlich an eine prinzipielle Grenze stößt und feststellt, dass der Traum vom Quantencomputer sich nicht erfüllen lässt: „Das könnte aber ebenfalls sehr interessant sein.“ (wst)

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Wolfgang Ketterle hat in Heidelberg und München Physik studiert. 1990 ging er als Post Doc an das Massachusetts Institute of Technology (MIT). 2001 erhielt Ketterle für seine Arbeiten an Bose-Einstein-Kondensaten den Physik-Nobelpreis.

c't: Sie haben erzählt, ihr Vater würde sie gelegentlich fragen, ob sie denn nach acht Jahren immer noch an Bose-Einstein-Kondensaten forschen oder nicht mal was Neues machen wollten. Nun passieren auf diesem Gebiet ja spannende Dinge, aber kann man damit wirklich was anfangen?

Ketterle: Das muss man rausfinden. Als Forscher wählt man sich ein Gebiet aus, wo am meisten Musik drin ist und man meint, das eigene Labor am besten einsetzen zu können. Man könnte nur noch zu Atomlasern forschen, aber auf einem Gebiet, das so neu ist, forscht man erstmal in viele verschiedene Richtungen.

Die Anwendungen, von denen man redet, sind Präzisionsmessungen, beispielsweise Sensoren für Rotation und Gravitation. Da solche Präzisionsmessungen aber eine lange Tradition haben, liegt die Messlatte auch hoch. Es gibt sehr gute Methoden, um solche Messungen ohne Bose-Einstein-Kondensate zu machen. Um wirklich Verbesserungen zu bekommen, wird man einige Zeit brauchen.

c't: Wie gehts mit Bose-Einstein-Kondensaten auf Chips weiter?

Ketterle: Im Moment geht es im Wesentlichen darum zu lernen, die neue Technologie zu beherrschen. Also nachzuweisen, dass man kontrolliert Materiewellen auf einem Chip führen kann, dass sie sich nicht aufheizen, dass die Führung nicht zu rau ist und das Kondensat möglicherweise fragmentiert. Für mich ist das ein Schritt in die richtige Richtung. Wir haben Visionen, aber zuerst gibt es Jahre harter Arbeit.

c't: Stichwort Visionen - hier auf der Tagung wird viel über Quanteninformationsverarbeitung diskutiert. Wie schätzen Sie die Fortschritte auf diesem Gebiet ein?

Ketterle: Das ist mehr als eine Vision. Es gibt hochkarätige Arbeiten aus führenden Labors über neue Quantengatter. Man hat Quantencomputer mit mehreren Bits und implementiert neue Algorithmen, um zu lernen, worauf es wirklich ankommt. Natürlich sind wir von einem wirklich praktikablen Quantencomputer noch weit entfernt. Aber die Forschung schreitet voran. Ich bin verhalten optimistisch.

Es ist klar, dass man große Schwierigkeiten überwinden muss, und ich habe Zweifel, ob dies gelingt. Aber es ist auch klar, wenn man Schritte auf diesem Weg zum Quantencomputer tut, dann lernt man Atome zu manipulieren, man lernt Quantenzustände zu präparieren, man lernt die Natur zu beherrschen. Und das ist gute Wissenschaft. Ob man dann wirklich zu brauchbaren Anwendungen kommen kann, spielt im Moment nicht die entscheidende Rolle. (wst)

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Billige organische Chips auf flexiblen Substraten könnten schon bald den Alltag durchdringen. Um Kunststoffe zu produzieren, die sowohl elektrisch leitfähig sind als auch gute mechanische Eigenschaften aufweisen, kann man leitfähige Polymere mit härteren isolierenden Polymeren mischen. Die Leitfähigkeit einer solchen Mischung hängt dann etwa quadratisch vom Volumenanteil des leitfähigen Polymers ab.

Raffaele Mezzenga und ein internationales Team von der University of California und der Helsinki University of Technology stellen in der Fachzeitschrift Science (Vol. 299, p. 1872-1874) ein neues Verfahren zur Polymermischung vor, mit dem man diesen Mindestanteil - die so genannte Mischungsgrenze - um eine Größenordnung reduzieren, die Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen steigern und die thermische Stabilität verbessern kann.

Um die gewünschte Mischung zu erhalten, haben die Forscher ein 3-Phasen-System benutzt. Dabei umschließt ein Homopolymer, ein aus identischen Monomeren aufgebautes Polymer, zum einen molekulare Chaperone und zum anderen das dotierte pi-konjugierte Polymer zu einem kontinuierlichen doppelt gemischten Anteil kleinen Volumens.

Natalie Stutzmann, Richard H. Friend und Henning Sirringhaus vom Cavendish Laboratory der University of Cambridge berichten in der gleichen Ausgabe von Science (Vol. 299, p.1881-1884) über einen großen Fortschritt bei der kostengünstigen Produktion von Polymer-Feldeffekt-Transistoren: Bei Polymeren ist es nicht möglich, Photolithographie und darauffolgendes Ätzen anzuwenden, weil die Polymere dadurch praktisch aufgelöst würden.

Bereits verwirklichte Alternativen wie weiches lithographisches Stempeln oder hochauflösender Inkjet-Druck stoßen in der Submikrometerregion allerdings auf größte Schwierigkeiten. Um diesen Problemen zu entgehen, bedienten sich die Physiker eines modifizierten Prägeverfahrens. Zwei elektroaktive Schichten, die durch eine isolierende Schicht getrennt sind, werden auf einem Polymersubstrat aufgebracht. Dann wird mit einer scharfen Mikrospitze die gewünschte Struktur eingeprägt oder eingeschnitten. Die Forscher erreichten eine Kanallänge des Transistors von 0,7 bis 0,9 µm. (Markus Mathys, wst)

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