Physiker kontrollieren Quantenbits bei extrem tiefen Temperaturen

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Physiker kontrollieren Quantenbits bei extrem tiefen Temperaturen

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Physiker der Saar-Uni haben eine Methode gefunden, die sogenannten Quantenbits zu bändigen und sind dadurch dem Quantencomputer einen Schritt näher gekommen. Das Ganze funktioniert aber nur bei ein paar tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Quantencomputer sind um ein vielfaches schneller als die schnellsten Rechner der Gegenwart. Allerdings steckt die zugrunde liegende Technik noch in den Kinderschuhen. Die Kontrolle der Recheneinheiten solcher Quantencomputer, die sogenannten Quantenbits oder Qubits, ist eine echte Herausforderung, da diese sehr kurzlebig sind. Das gilt insbesondere für Quantenbits, die in Festkörpern eingebettet sind.

Physiker der Saar-Uni haben nun eine neue Methode entwickelt, Qubits in Diamant zu kontrollieren und dadurch länger für Rechenoperationen nutzbar zu machen. Dafür müssen sie die Quantenbits allerdings nahe an den absoluten Temperatur-Nullpunkt herunterkühlen. Das Ganze ist vergleichbar mit dem Versuch, die hauchfeinen Konturen der Mona Lisa mit einem großen Tapetenpinsel und in Boxerhandschuhen zu restaurieren. Was die Quantenphysiker mit Quantenkontrolle bezeichnen, ist ähnlich schwierig und kompliziert wie diese fiktive, kunsthistorische Aufgabe es wäre. Denn der Zustand eines Qubit, der Recheneinheit eines Quantencomputers, ist extrem flüchtig und labil. Nur mit präzisen Kunstgriffen lässt sich dieser nützliche Zustand möglichst lange erhalten.

Physiker der Universität des Saarlandes um die Professoren Christoph Becher und Pavel Bushev haben diesen Überlagerungszustand, in dem sich zum Beispiel ein Atom in zwei Zuständen gleichzeitig befindet, in Kooperation mit Kollegen aus Cambridge bei extrem tiefen Temperaturen (0,04 °K, also denkbar knapp über dem absoluten Nullpunkt) untersucht und mit Laserpulsen gezielt kontrolliert. Das Quantenbit ist in ihrem Fall ein so genanntes Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum, ein gewollt eingebauter Fehler in der atomaren Gitterstruktur eines künstlichen Diamanten, der aus Kohlenstoff besteht. Statt zweier Kohlenstoffatome befinden sich hier zwei Fehlstellen im Gitter, die ein Silizium-Atom in der Mitte einschließen. Die unterschiedlichen Zustände des Defekts können für die Quanteninformations-Verarbeitung genutzt werden, also zum Beispiel zum Rechnen.

Die Physiker mussten dabei aber ein Problem lösen. Je höher die Temperatur ist, desto stärker werden die Atome des Gitters in Schwingung versetzt, da sie die Energie aus der Umgebung aufnehmen. Je wärmer es ist, desto stärker ist dieser Effekt. Dabei reichen schon wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt aus, um die Schwingungen so stark werden zu lassen, dass der angestrebte Überlagerungszustand verloren geht. Mit dem Herunterkühlen des künstlichen Diamanten auf knapp über dem absoluten Nullpunkt geraten auch diese störenden Einflüsse in den Hintergrund, da bei solch tiefen Temperaturen die Kristallschwingungen praktisch vollständig ausgefroren sind. Die Herausforderung dabei ist, die einzelnen Qubits mit dem Laser in einem stabilen Quantenzustand zu erzeugen und dort zu halten. Dabei darf nicht zu viel Wärme an den Diamant abgegeben werden, um die tiefen Temperaturen zu erhalten.

Dafür entwickelte das Team um Doktorand Jonas Becker ein neues, hochauflösendes konfokales Mikroskop, das die Quantenbits präzise darstellen kann und deren Kontrolle bei Millikelvin-Temperaturen über Laserpulse ermöglicht. Im Vergleich zu gängigen Kontrolltechniken wie zum Beispiel Mikrowellen hat dieses Verfahren den Vorteil, dass der Wärmeeintrag durch einen gezielt fokussierten Laser ausschließlich direkt am Qubit erfolgt und zudem gering ist, da bereits wenige Nanowatt an Laserleistung für eine vollständige Kontrolle ausreichend sind. Im weiteren Verlauf der Experimente fanden die Forscher allerdings heraus, dass sich die Kohärenzzeiten, in denen das Qubit stabil im Überlagerungszustand existiert, nur ein wenig verlängern.

Das Resultat kam unerwartet, denn die Physiker hatten eigentlich mit einer deutlichen Verlängerung des Kohärenzzustandes gerechnet. Trotzdem gewannen die Forscher aber andere wertvolle Erkenntnisse. Sie konnten die Interaktion der Qubits mit ihrer Umgebung detailliert untersuchen und einen weiteren limitierenden Prozess finden, der die Quantenkontrolle stört. Denn in dem künstlich hergestellten Diamanten gibt es neben den gewollten Verunreinigungen, also den Silizium-Fehlstellen-Zentren, an manchen Stellen auch unerwünschte Verunreinigungen, die bei der Herstellung des Diamanten entstehen. Pro einer Million Atome sind das nur 13 ungewollte Verunreinigungen mit Stickstoff-Atomen. Aber schon diese wenigen falschen Atome im Kristallgitter stören mit ihrem Magnetfeld den Überlagerungszustand der gewollten Silizium-Fehlstellen-Zentren. Dieser Effekt wäre den Forschern gar nicht aufgefallen, wenn sie das Experiment nicht so nahe am absoluten Nullpunkt gemacht hätten.

Dieses Wissen kann nun dazu genutzt werden, noch reinere Proben zu entwickeln, die die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Zudem kann die entwickelte Mikroskopietechnik dazu genutzt werden, auch andere Kandidaten für Festkörper-Quantenbits bei Millikelvin-Temperaturen mithilfe von optischen Methoden detailliert zu untersuchen. (ub)


Ein Quantenbit kann mehr als 0 oder 1

Das Prinzip der Quantentechnik lautet, dass ein Atom, ein Elektron oder ein Lichtteilchen zwei Zustände gleichzeitig einnehmen kann. Diese Zustände nennt man auch Überlagerungszustände. Übertragen auf die Computertechnik heißt das, dass bei einem Quantenrechner die kleinste Informationseinheit, das Quantenbit, die Zustände 0 und 1 gleichzeitig und in jeder beliebigen Kombination annehmen kann. Auf einem gängigen Computer der Gegenwart kann ein Bit nur den Wert 0 oder 1 darstellen.

Solche Quantenbits oder Qubits sind die Grundlage eines Quantencomputers. Rechnen kann man beispielsweise mit Atomen als Speichereinheit, indem man sie mit Laserlicht anregt und ihren Quantenzustand manipuliert. Eine Rechenoperation kann dabei auf beiden Anteilen des Überlagerungszustandes (0 oder 1) gleichzeitig stattfinden. Ein Quantencomputer kann demnach in der Zeit, in der ein herkömmlicher 32-Bit-Rechner einen seiner 232 möglichen Zustände verarbeitet, parallel alle diese Zustände verarbeiten. Der Quantencomputer rechnet also um ein Vielfaches schneller als ein normaler Computer. Neben geeigneter Hardware setzt die Quanten-IT auch die Entwicklung neuer Algorithmen voraus, um die Vorteile der Quantenrechner ausreizen zu können.

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