Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atome und Supraleiter als Quantenschnittstelle auf einem Mikrochip

29.08.2013
Tübinger Forscher entwickeln einen neuen Baustein für die Quantenelektronik

Die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik bilden die Basis für die Entwicklung von Hardware für künftige Informationstechnologien. Informationsträger sind Quanten, die in Quantenbits, kurz Qubits, verarbeitet werden.

Sie machen die Kommunikation abhörsicher und erlauben außerordentlich schnelle Recherchen in Datenbanken. Qubits sind jedoch recht instabil. Die Professoren József Fortágh, Dieter Kölle, und Reinhold Kleiner vom Physikalischen Institut der Universität Tübingen haben einen neuen elektronischen Baustein entwickelt, der dieser Eigenschaft Rechnung tragen soll:

Ihr langfristiges Ziel ist es, Quantensuperpositionszustände wie zum Beispiel die gleichzeitige Überlagerung der klassischen Bits Null und Eins zu verarbeiten, zu übertragen und zu speichern. Über die ersten Forschungsergebnisse auf diesem Weg berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature Communications“ am 29. August 2013.

Die Tübinger Forscher wollen zwei Systeme koppeln, um von beiden die Vorteile zu nutzen: Supraleitende Schaltungen, die mit Standardtechnologien auf Mikrochips strukturiert werden, können Quanteninformationen schnell verarbeiten, sie jedoch nicht über längere Zeit speichern. Atome, die die kleinsten elektronischen Schaltkreise der Natur darstellen, können hingegen – gruppiert in einem Ensemble – als natürlicher Quantenspeicher dienen. „In der Kombination sollen künftig Informationen aus den supraleitenden Schaltkreisen in ein Atomensemble zur Speicherung übertragen werden“, erklärt József Fortágh.

Die Atome werden durch Magnetfelder über der Chipoberfläche gefangen und in der Schwebe gehalten. Da Supraleiter den elektrischen Strom ohne Widerstand leiten, klingt der Strom in einem supraleitenden Ring nie ab. Auf dieser Grundlage haben die Doktoranden Helge Hattermann, Daniel Bothner und der Postdoktorand Simon Bernon aus den beteiligten Arbeitsgruppen eine komplexe supraleitende Ringstruktur und einen besonders stabilen und störungsfreien Speicher für Atome konstruiert. Die Forscher überprüfen selbst in ihrem System, wie lange Quantenzustände von Atomen in dieser Falle überleben: Sie verwenden die Atome als Uhr.

Den Takt zur Definition der Sekunde gibt uns heute das Cäsiumatom mit etwa neun Milliarden Schwingungen pro Sekunde zwischen zweien seiner Quantenzustände vor. Rubidium, das Atom, das in Tübingen für die Experimente verwendet wird, dient als sekundärer Zeitstandard. Die Präzision einer Atomuhr rührt von der stetigen Überlagerung der Quantenzustände her. Wie nach dem Anstoßen des Pendels einer Schwarzwalduhr klingt auch bei einer Atomuhr die Schwingung nach einiger Zeit ab – nämlich dann, wenn die Quantensuperpositionszustände zerfallen.

Die auf dem supraleitenden Chip integrierte Atomuhr im Tübinger Laboratorium zeigt an, dass Quantensuperpositionszustände von Atomen am Chip über mehrere Sekunden lang erhalten bleiben. Im Vergleich dazu sind Quantenspeicher auf Festkörperbasis mit Kohärenzzeiten im Mikrosekundenbereich flüchtig. „Dieses Ergebnis ebnet den Weg zur Realisierung neuer quantenelektronischen Komponenten für die Informationsverarbeitung“, sagt József Fortágh. Als Nächstes planen die Forscher des CQ Center for Collective Quantum Phenomena an der Universität Tübingen Experimente an Atomen in supraleitenden Mikrowellenresonatoren, die als Datenbus zwischen integrierten Schaltungen und Atomen dienen könnten.

Die Forschungen werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG Sonderforschungsbereich TRR21) und dem Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert.

Publikation:
S. Bernon, H. Hattermann, D. Bothner, M. Knufinke, P. Weiss, F. Jessen, D. Cano, M. Kemmler, R. Kleiner, D. Koelle & J. Fortágh: Manipulation and coherence of ultra-cold atoms on a superconduc-ting atom chip. Nature Communications, Online-Veröffentlichung, DOI: 10.1038/ncomms3380
Kontakt:
Prof. Dr. József Fortágh
Universität Tübingen
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Physikalisches Institut
CQ Center for Collective Quantum Phenomena
Telefon +49 7071 29-76270
fortagh[at]uni-tuebingen.de

Myriam Hönig | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten