Stromquelle für Quanten-Computer

Die Moleküle werden mit einem orange-gelben Laser angeregt (Foto: Ilja Gerhardt/MPI für Festkörperforschung)

Forscher benutzen Moleküle als Quelle für einzelne Photonen - und bauen damit einen besonders effizienten Generator dieser Informationsvermittler künftiger Quantenrechner

Solange Rechenmaschinen noch auf mechanischer Basis konstruiert wurden, mussten ihre Erfinder wahre Ungetüme bauen, um die Rechenleistung eines Erstklässlers zu erreichen. Erst als mit dem Aufkommen der Elektronik setzten sich Computer auf breiter Front durch. Während die verwendeten Strukturen von Jahr zu Jahr stärker schrumpften, als es die Physiker zunächst für möglich hielten, wuchs die Rechenleistung derart, dass Supercomputer der 1970-er Jahre heute in eine Hosentasche passen.

Um das Benzin für ihre Rechner mussten sich die Forscher allerdings nie wirklich Gedanken machen: Elektrische Ladungsträger sind seit langem bekannt. Methoden zu ihrer Erzeugung und Speicherung existierten schon lange vor der Erfindung des modernen Computers. Akkus und Generatoren werden zwar auch heute noch ständig weiterentwickelt, doch handelt es sich dabei stets um Veränderungen im Detail.

Die Physiker, die sich der Konstruktion von Quanten-Computern verschrieben haben, haben es da nicht so leicht. Zwar ist das Photon an sich ein sehr günstiger Übertrager für Informationen: Immerhin ist es einfach zu erzeugen, dabei sehr leicht (sogar ruhemasselos) und bewegt sich mit maximaler Geschwindigkeit. Andererseits jedoch tritt Information diskret auf – der Lichtstrom gängiger Photonenquellen ist aber kontinuierlich und vor allem breitbandig. Gesucht wird deshalb eine Quelle, die einzelne Photonen in einem möglichst engen Wellenlängenbereich, aber trotzdem in großer Zahl ausstößt.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung und der Universität Stuttgart sind nun in einem Bereich fündig geworden, der bisher weniger im Blickwinkel der Quantencomputerbauer stand. Sie berichten darüber im Fachmagazin Nature. Als Quelle für Photonen dient den Physikern das organische Molekül Dibenzanthanthren. Bei sehr tiefen Temperaturen gibt es nach einer bestimmten Anregung Photonen fester Wellenlänge ab, und zwar in reichlicher Zahl.

Das reicht allerdings noch nicht: die so erzeugten Photonen müssen noch gefiltert werden. Dies erreichen die Forscher mit Hilfe einer Wolke aus Natrium-Atomen. Diese lässt nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge passieren. Das Ergebnis ist eine Einzelphotonen-Quelle, die bis zu 140.000 pro Sekunde erzeugt, deren Wellenlänge sich auf die zur Verwendung im Quantencomputer nötigen Parameter anpassen lässt. Atombasierte Quellen hingegen kommen eher 5000 bis 10.000 Photonen pro Sekunde und sind zudem stets statistisch bedingten Schwankungen unterworfen: Wann genau ein Atom ein Photon emittiert, lässt sich nie genau vorhersagen.

Mit der Arbeit kombinieren die Forscher geschickt Atom- und Molekülphysik – die in der Praxis weitaus stärker auseinander liegen als der Laie annehmen würde. Außerdem gibt es einen hübschen Nebeneffekt: Die Natrium-Atomwolke lässt sich auch als Filter nutzen, der etwa in biologischen Untersuchungen eingesetzt werden könnte. Hier markieren Forscher gern einzelne Moleküle mit Farbpigmenten, die sich mit Hilfe der Atomwolke effizienter filtern lassen würde.

Außerdem zeigte sich im Experiment, dass die Wolke die Photonen verlangsamt – sie könnte damit auch als Kurzzeit-Speicher dienen. Die Technik ist dabei nicht auf Natrium-Atome beschränkt. Die Forscher testeten unter anderem auch den Einsatz mit Kalium oder Rubidium. Schließlich sollte sie auch bei Experimenten bei Zimmertemperatur eine deutliche Steigerung der Photonen-Ausbeute bewirken.

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