Computer aus Diamant

Der Diamant hat von je her Begehrlichkeiten geweckt. Manchen gilt er als der wertvollste Edelstein, andere schätzen ihn als superharten Werkstoff. Seit Neuestem spielt er auch in der Entwicklung modernster Informationstechnologien eine Schlüsselrolle: Forscher des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart und der Universität Harvard konnten zeigen, dass Diamanten – oder genauer bestimmte Defektstellen in Diamanten – sehr gut als kleine Prozessoren in so genannten Quantencomputern geeignet sind.

Hierüber berichtete auch die Zeitschrift Science in ihrer Ausgabe vom 1. Juni 2007*. Die zukünftigen Computer nutzen die physikalischen Eigenschaften von einzelnen Quantenbits, beispielsweise Atomen, oder atomaren Verunreinigungen in Kristallen aus, um bestimmte Rechenoperationen viel schneller als ihre gegenwärtig gebräuchlichen klassischen Gegenstücke zu ermöglichen. Hierbei sind jedoch immense technische Schwierigkeiten zu überwinden. So dürfen zum Beispiel die Quantenbits während der Rechenoperation nicht mit der Umgebung in Wechselwirkung treten.

Genau dies ist eine Stärke von Diamant. Aufgrund seiner Struktur und seiner chemischen Zusammensetzung – reiner Diamant besteht nur aus Kohlenstoff – sind die Quantenbits in ihm isoliert wie sonst nur Atome im Vakuum. Um Quantenbits im Diamant zu erzeugen, haben die Stuttgarter Wissenschaftler in hochreinem Diamant, wie er als Schmuckdiamant benutzt wird, Stickstoffatome implantiert. Dadurch entsteht ein Defekt, der den Diamanten violett einfärbt. Dieses so genannte Farbzentrum ist Träger der Quanteninformation. Die Farbzentren in Diamant sind gegenwärtig der einzige Weg, einen Quantenprozessor zu konstruieren, der auch bei Raumtemperatur funktioniert.

Bis zukünftige Computer einen Prozessorkern aus Diamant haben, ist es aber noch ein weiter Weg. Noch können die Physiker nämlich nur mit wenigen Bits arbeiten. Die Erweiterung auf einige hundert Quantenbits wird eine der Hauptherausforderungen der Zukunft sein. Kleinere Prozessoren könnten allerdings bereits in naher Zukunft in einer speziellen Form der hochsicheren Datenübertragung eingesetzt werden. Auch in der Schmuckindustrie sind die speziell eingefärbten Diamanten begehrt.

Die Forschungsarbeiten an diesem Computer der Zukunft sind integriert in den transregionalen Sonderforschungsbereich „Control of quantum correlations in tailored matter“ (Co.Co.Mat, SFB/TR 21), bei dem die Universität Stuttgart Sprecherhochschule ist. Weitere Informationen bei Prof. Jörg Wrachtrup, 3. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-65278, e-mail: wrachtrup@physik.uni-stuttgart.de.

*Der Beitrag von Gurudev Dutt, Fedor Jelezko et al. erschien unter dem Titel „Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qbits in Diamond“ in Science vom 1. Juni, 2007 S. 1312-1316.