Wissenschafter koppeln verschiedene Quantensysteme, um Vorteile zu nutzen.
Herz eines herkömmlichen Computers sind Prozessor und Arbeitsspeicher. Für einen zukünftigen Quantencomputer, der die seltsam anmutenden Eigenschaften der Quantenwelt für besonders schnelle Berechnungen nutzen könnte, sucht man schon lange nach physikalischen Bausteinen, die diese Funktionen übernehmen könnten. Wissenschafter der Technischen Universität (TU) Wien haben nun in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" gezeigt, dass sich Diamanten mit Störstellen als Quantenspeicher eignen und sich die zu speichernde Information über einen Quantenzustand mit Hilfe von Mikrowellen übertragen lassen (siehe Bild oben).
Johannes Majer (unten) mit Wissenschaftlern aus seinem Team: Robert Amsüss, Tobias Nöbauer, Stefan Putz (v.l.n.r.); Bild (c) TU Wien
Quantentechnologie
In der herkömmlichen Informationstechnologie ist das Bit die kleinste Informationseinheit, das zwei Zustände - etwa Ja/Nein oder 0/1 - einnehmen kann. Beim Quantencomputer sollen Quantenzustände als kleinste Einheit - genannt Quantenbit (Qubit) - dienen. Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand den Schwebezustand zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen, also nicht nur den Wert 0 oder 1, sondern auch alle Werte dazwischen. Mit mehreren solcher Quantenbits könnte man deshalb bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als in einem klassischen Computer.
Dort führt der Prozessor die Berechnungen durch, über einen sogenannten Datenbus werden die Ergebnisse zum Speicher geleitet, wo sie möglichst dauerhaft erhalten bleiben sollen. Auf dem Weg zum Quantencomputer werden für Prozessor und Speicher verschiedene Ideen verfolgt, "allerdings gibt es kein Quantensystem, das alle Anforderungen gleichzeitig erfüllt", erklärte Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien am Mittwoch in einer Aussendung. Aus diesem Grund haben die Wiener Forscher zwei völlig verschiedene Quantensysteme - nämlich Mikrowellen und Diamant - gekoppelt, um deren Vorteile zu nutzen.
Ziel der Forschung
Ziel sei es, so der Erstautor der Studie, Robert Amsüss, im Gespräch mit der APA, einen Quantenzustand mit Hilfe eines supraleitenden Schaltkreises zu erzeugen. Ein solcher auf einem Chip realisierter Schaltkreis lasse sich wie ein künstliches Atom manipulieren und könnte beispielsweise einen gewünschten Quantenzustand in Form eines Photons mit einer Wellenlänge im Mikrowellenbereich emittieren. In der nun veröffentlichten, am "Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ)" durchgeführten Arbeit haben die Wissenschafter theoretisch gezeigt, dass ein Mikrowellen-Resonator, der die ankommenden Mikrowellen aufnimmt, an eine dünne Diamantschicht angekoppelt werden kann.
Funktionsweise
Damit fungiert der Mikrowellen-Resonator wie ein Datenbus in einem herkömmlichen PC, der die Information zum Speicher - im konkreten Fall der Diamant - weitertransportiert. Die dabei verwendeten Diamanten dürfen nicht perfekt sein, der Kristall darf nicht nur aus Kohlenstoff-Atomen bestehen. Vielmehr müssen Fremdatome - konkret Stickstoff - sowie Leerstellen im Kristallgitter eingebaut werden. In den Stickstoff-Atomen kann dann die Quanteninformation gespeichert werden. Als nächsten Schritt wollen die Wissenschafter Quantenbits mit Hilfe supraleitender Schaltkreise erzeugen und im Diamant abspeichern.
