Quantenspuk in Diamant

Die Ergebnisse legen nahe, dass Diamant ein Material ist, mit dem man einen Quantencomputer bauen kann, der bei Raumtemperatur funktioniert – was gegenwärtig mit keinem anderen Material möglich erscheint. Über die Untersuchungen berichtet die Zeitschrift Science in Ihrer Ausgabe vom 6. Juni.*)

Physiker beschreiben die Welt der Atome durch die Quantenmechanik. Es gehört zu den Eigenheiten dieser Quantenmechanik, dass sie es erlaubt, zwei Objekte miteinander zu verbinden, obwohl diese keine sichtbare Interaktion aufweisen. Einstein hat diese Wechselwirkung „spukhaft“ genannt, da sie unabhängig von der Entfernung der Objekte gilt. Mittlerweile ist die Verschränkung von Quantenobjekten allerdings zweifelsfrei nachgewiesen worden. Spektakuläre Experimente wie beispielsweise die Teleportation (das Kopieren von Eigenschaften eines Quantenteilchens auf ein anderes) beruhen auf dieser Besonderheit der Natur.

Allerdings ist dieser Effekt in der Regel äußerst störungsanfällig. Deshalb müssen Physiker für extreme Bedingungen sorgen und zum Beispiel bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten, um verschränkte Quantenzustände zu beobachten. Nicht so in Diamant, wie Forscher der Universität Stuttgart nachweisen konnten. In ihren Experimenten haben die Wissenschaftler zunächst Stickstoff in farblosen Diamant hineingeschossen. Diese Verunreinigung färbt den Diamant leicht pink und lässt sich im Kristall durch seine Fluoreszenz nachweisen. Durch seine sprichwörtliche Härte schirmt das Diamantgitter das implantierte Stickstoffatom ab und erlaubt es, Quanteneffekte, wie beispielsweise die Verschränkung unter Umgebungsbedingungen zu beobachten.

Den Stuttgarter Forschern gelang es dabei, die die aus Kohlenstoff-Atomen bestehenden Gitterbausteine des Diamanten gezielt in geeignete Quantenzustände zu bringen. Ein Prozent dieser Kohlenstoffatome trägt nämlich ein magnetisches Moment. Solche Kohlenstoffatome spüren eine Wechselwirkung mit einem implantierten Stickstoffatom in der Nähe. Diese Wechselwirkung nutzen die Wissenschaftler, um die Kohlenstoffatome gezielt adressieren zu können. In ihren Experimenten konnten sie diese Atome miteinander verschränken. Dies ist eine der wesentlichen Voraussetzungen für so genannte Quantencomputer, eine Technologie, die es erlauben soll, superschnelle Computer zu bauen.

*) Philipp Neumann, Norikazu Mizuochi, Florian Rempp, Philip Hemmer, Hideyuki Watanabe, Satoshi Yamasaki, Vincent Jacques, Torsten Gaebel, Fedor Jelezko, Jörg Wrachtrup: „Multipartite Entanglement Among Single Spins in Diamond“ – SCIENCE, 6 June 2008, Vol. 320, Issue 5880, http://www.sciencemag.org

Weitere Informationen bei Prof. Jörg Wrachtrup, 3. Physikalisches Institut,
Tel. 0711/685-65278, e-mail: wrachtrup@physik.uni-stuttgart.de.