Meilenstein in der Geschichte – Stabile Quantenbits geschaffen Meilenstein in der Geschichte – Stabile Quantenbits geschaffen
Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland haben ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer geschaffen - das ist ein Meilenstein in der Geschichte und... Meilenstein in der Geschichte – Stabile Quantenbits geschaffen

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland haben ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer geschaffen – das ist ein Meilenstein in der Geschichte und ein Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer.

Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University und der University of Maryland entwickeln ein stabiles Quantengatter für Zwei-Quantenbit-Systeme aus Silicium. Das Quantengatter kann alle notwendigen Grundoperationen des Quantenrechners ausführen. Als grundlegende Speichereinheit, dem sogenannten Quantenbit dient der sogenannte Elektronenspin von einzelnen Elektronen in Silicium. Die Forschungsergebnisse wurden im Wissenschaftsjournal Science in der Online-Ausgabe First Release vom 7. Dezember 2017 veröffentlicht und erscheinen später auch in der Druckausgabe.

Bis der erste Quantencomputer in den Kaufhäusern stehen wird, werden noch einige Jahre vergehen. Aber bereits heute zeichnet sich ab, dass mit dem Quantencomputer ein großer Entwicklungssprung der Computertechnologie bevorsteht. Der Quantenrechner wird leistungsfähiger sein und Probleme lösen können, an denen klassische Computer scheitern. Allerdings reagiert er viel empfindlicher auf Störungen von außen als ein klassischer Rechner. Ein vorrangiges Ziel der Forschung ist also die Erschaffung  stabiler „Quantengatter“, So heißt das grundlegende „Schaltsystem“ des Quantencomputers. Wissenschaftlern der Universität Konstanz, der Princeton University und der University of Maryland ist es nun gelungen, solche stabilen Quantengatter für Zwei-Quantenbit-Systeme zu erstellen. Ihr Quantengatter nutzt einzelne Silicium-Elektronen als Informationsspeicher und kann die Interaktion von zwei Quantenbits präzise steuern und auslesen. Somit kann das Quantengatter alle notwendigen Grundoperationen des Quantenrechners vollziehen.

Der Weg vom Elektron zum Quantenbit

So wie ein klassischer Digitalrechner mit dem „Bit“ die Zustände Null und Eins als Grundeinheit aller Rechenprozesse benützt, so benötigt auch ein Quantencomputer eine grundlegende Speichereinheit: das Quantenbit.

Burkard_Quantengatter

Burkard_Quantengatter

Dieses verfügt aber neben der Null und der Eins über weitere Zustände und ist daher bedeutend komplexer in seiner Umsetzung als ein einfaches Digitalsystem. In der Forschung gibt es mehrere Ideen, wie ein Quantenbit technisch realisiert werden könnte: Zum Beispiel über Ionen oder supraleitende Systeme. Die Forscher aus Konstanz, Princeton und Maryland nutzen hingegen den Elektronenspin im Halbleitermaterial Silicium als Grundlage des Quantenbits, also sozusagen den Eigendrehimpuls eines einzelnen Elektrons. Die Drehrichtung des Elektrons entspricht der Null und Eins des digitalen Bit, wobei der genaue Quantenzustand des Elektrons weitere Information verkörpern kann, die über die bloße Null und Eins hinausgeht.

Zunächst lösten die Forscher aus den Milliarden von Atomen eines Silicium-Stücks ein einzelnes Elektron heraus. „Das ist eine extreme Leistung, die da von unseren Kollegen aus Princeton vollbracht wurde“, so der Konstanzer Physiker Prof. Dr. Guido Burkard, Koordinator der theoretischen Forschung in Konstanz. Um ein einzelnes Elektron aus dem Elektronenverbund zu separieren, benutzen die Forscher eine Kombination aus elektromagnetischer Anziehung und Abstoßung. Die herausgelösten Elektronen werden dann punktgenau aufgereiht und jeweils in eine Art „Mulde“ eingebettet. Dort werden sie in einem Schwebezustand gehalten.

Eine weitere Herausforderung war, ein System zu entwickeln, mit dem der Drehimpuls der einzelnen Elektronen kontrolliert werden kann. Die Konstanzer Physiker um Guido Burkard und Maximilian Russ entwickelten hierfür ein Verfahren. Hierbei wird an jedes Elektron jeweils eine Nano-Elektrode angelegt. Mithilfe eines sogenannten Magnetfeldgradienten können die Physiker ein ortsabhängiges Magnetfeld schaffen, mit dem sich die Elektronen einzeln ansteuern lassen. Die Forscher können dadurch den Drehimpuls der Elektronen steuern. Damit haben sie stabile Ein-Quantenbit-Systeme geschaffen, mit denen Information in Form von Elektronspins gespeichert und ausgelesen werden kann.

Der Sprung zum Zwei-Quantenbit-System

Ein Quantenbit allein reicht jedoch noch nicht aus, um das grundlegende Schaltsystem eines Quantencomputers zu erzeugen. Dafür sind zwei Quantenbits nötig also wurden die Zustände zweier Elektronen miteinander gekoppelt. Durch diese Verknüpfung lassen sich basale Schaltsysteme konstruieren, mit denen alle Grundoperationen des Quantenrechners ausgeführt werden können. Zum Beispiel lässt sich das System so programmieren, dass sich ein Elektron nur genau dann dreht, wenn sein benachbartes Elektron einen Spin in eine vorherbestimmte Richtung aufweist.

Die Konstanzer Wissenschaftler mussten also ein stabiles System schaffen, um die Spins zweier einzelner Elektronen miteinander zu verknüpfen. „Das war der wichtigste und schwierigste Teil unserer Arbeit“, so Guido Burkard, der das Verfahren gemeinsam mit Maximilian Russ entwarf und plante. Sie entwickelten ein Schaltsystem, das die Drehimpulse von zwei Elektronen in gegenseitiger Abhängigkeit koordiniert. Zwischen den beiden „Mulden“, in denen die Silicium-Elektronen schweben, wird eine weitere Nano-Elektrode angebracht – iese steuert die Schaltung der beiden Elektronenspins. So gelang es den Physikern, eine stabile und funktionsfähige Grundrecheneinheit für einen Quantencomputer zu schaffen. Die Fehlersicherheit liegt im Gegensatz zu vorigen Versuchen bei über 99 Prozent beim einzelnen Quantenbit und bisher rund 80 Prozent bei der Interaktion zweier Quantenbits . Also wesentlich stabiler und präziser als bisherige Versuche.

Silicium –ein magnetisch sehr ruhiges Material

Ausgangsmaterial des Quantengatters ist Silicium. „Ein magnetisch sehr ruhiges Material mit einer geringen Anzahl eigener Kernspins“, so Guido Burkard. Wichtig bei dem gewählten Material ist, dass seine Atomkerne nicht zu viele Spins, bzw. Eigendrehimpulse, aufweisen. Denn diese könnten die Quantenbits stören. Silicium weist mit einem Anteil von rund fünf Prozent eine extrem niedrige Spin-Aktivität der Atomkerne auf. Daher ist es besonders gut geeignet. Zudem ist Silicium das Standardmaterial der Halbleitertechnologie und entsprechend gut erforscht. Die Wissenschaftler können also von langjährigen Erfahrungen mit dem Material profitieren.

Quelleo: Uni Konstanz

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Lydia Dr. Polwin-Plass

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