Quantensprünge der Qubits

Die Festkörperphysik ist auf dem Weg in Richtung Quantencomputer

Zwei internationale Teams von Physikern präsentieren ihre neuen Entwicklungen im Bereich der Qubits, den Informationseinheiten eines potenziellen Quantencomputers.

Bild: TU Delft

Erst kürzlich ist den Quantenmechanikern eine neue Entwicklung zur sicheren Quantenteleportation gelungen. Die Forschergruppe um Anton Zeilinger (vgl. "Es stellt sich letztlich heraus, dass Information ein wesentlicher Grundbaustein der Welt ist") von der Universität Wien schickt die Photonen jetzt durch einen Filter, der nur vereinzelt ein Teilchen durchlässt. Damit sind sie der Quantenkommunikation über längere Strecken entscheidend näher gekommen, denn die gelungene Teleportation einer Quanten-Informationseinheit, eines so genannten Qubits, kann so erkannt werden, ohne dass sie dabei zerstört werden muss (vgl. Nature 13. Februar, Wiener Physiker "beamen" jetzt seltener, aber sicherer).

Das Konzept eines Quantenrechners fasziniert die Wissenschaftswelt schon seit mehreren Jahrzehnten. Mit Quantenzuständen Informationen zu bearbeiten, bedeutet Berechnungen sozusagen parallel durchführen zu können, damit sind theoretisch sehr viel schnellere und leistungsfähigere Computer als heutzutage denkbar. Quantencomputer wollen von den spukhaften Erscheinungen der Quantenwelt profitieren, denn ein Qubit kann nicht nur wie ein klassisches Bit für Null oder Eins stehen, sondern zugleich beide Zustände inne haben - das ist dann die kohärente Überlagerung. Lange galt die praktische Umsetzung dieser Idee als reiner Stoff für Science Fiction-Romane, aber langsam wird die Utopie zur Realität. Im Januar wurde die erfolgreiche Lösung einer simplen Rechenoperation mittels Quantenzuständen in einer Ionenfalle berichtet (vgl. Ionenfallen als Bausteine) und jetzt scheint es Schlag auf Schlag voran zu gehen. Eine zentrale Schwierigkeit ist es immer noch, Umwelteinflüsse zu vermeiden, den jede Interaktion mit der Umgebung führt zur so genannten Dekohärenz, also dem Zerfall des Quantenzustands.

Wichtige Impulse in Richtung der Entwicklung eines Quantencomputers kommen in letzter Zeit auch verstärkt aus der Festkörperphysik. Dahinter steckt das Konzept, sich eines supraleitendenden Materials als Bauelement zu bedienen und darauf ein Qubit zu positionieren. Diese Qubits sind besonders stabil und leicht auszulesen.

In der Wissenschaftszeitschrift Science berichteten Irinel Chiorescu und Kollege von der Technischen Universität Delft und den NEC Fundamental Research Laboratories in einer vorgezogenen Online-Veröffentlichung unter dem Titel Coherent Quantum Dynamics of a Superconducting Flux Qubit von ihrer neuen Speichermethode.

Das Qubit wird in einem supraleitenden Ring aus verschiedenen, extrem gekühlten Metallschichten gespeichert und erwies sich dort als sehr lange stabil. Die Quanteninformationseinheit hält sich in diesem Zustand bis zu 900 Nanosekunden lang, ein Rekord in der quantenmechanischen Welt. Die Einflüsse der Umgebung setzten bereits nach 20 Nanosekunden ein und begannen das System zu stören.

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature stellen Yu. A. Pashkin, T. Yamamoto, O. Astafiev, Y. Nakamura und D.V. Averin vom Institute of Physical and Chemical Research (RIKEN) in Wako, Japan und J. S. Tsai von der State University of New York ihre Koppelung, bzw. Verschränkung von zwei Festkörper-Qubits vor. Das ist eine wichtige Voraussetzung für einen echten Quantencomputer und die winzigen Mengen eines supraleitenden Materials könnten wesentlich einfacher als z.B. atomare Fallen in noch zu entwickelnde Geräte integriert werden. Die rasanten Fortschritte der Nanotechnologie machen es möglich (vgl. Starke Nanomagnete). Die Forschergruppe verwendete Elektronenstrahl-Lithographie und Verdampfungstechniken von Aluminium. Damit stellten sie zwei Qubits auf einem isolierenden Wafer her, die mit einem Kondensator verbunden sind.

(Originalartikel Quantum oscillations in two coupled charge qubits frei als pdf bei arxiv.org)

In seinem begleitenden News&Views-Artikel in Nature stellt Gianni Blatter von der ETH Hönggerberg fest:

Seit ihrem ersten Auftauchen vor einigen Jahren sind supraleitende Qubits bereits zu effektiven und effizienten Vorrichtungen heran gereift und nun haben Pashkin und Kollegen den ersten Schritt zu ihrer deterministischen Verschränkung gezeigt. Das sind solide Grundlagen für die Entwicklung eines Festkörper-Quantenprozessors...

(Andrea Naica-Loebell)