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Nächster wichtiger Schritt zum Quantencomputer

24.03.2015

Physikern der Universitäten Bonn und Cambridge ist es gelungen, zwei komplett unterschiedliche Quantensysteme miteinander zu koppeln. Damit sind sie auf dem Weg zum Quantencomputer einen wichtigen Schritt vorangekommen. Die Forscher setzten dabei auf eine Methode, die in der Quantenwelt ebenso gut zu funktionieren scheint wie bei uns Menschen: Teamarbeit. Die Ergebnisse sind nun in den „Physical Review Letters” veröffentlicht.

Große Herausforderungen nimmt man am besten gemeinsam in Angriff. In einem Team kann jedes Mitglied seine individuellen Stärken einbringen – zum Nutzen aller Beteiligten. Da ist zum Beispiel der schusselige Wissenschaftler, der zwar brillante Ideen hat, diese aber schnell wieder vergisst.

Er benötigt die Hilfe seines gewissenhaften Kollegen, der emsig alles notiert, um den Wirrkopf später daran erinnern zu können. Ganz ähnlich ist es in der Welt der Quanten. Dort übernehmen die so genannten Quantendots (abgekürzt: qDots) die Rolle des vergesslichen Genies.

Quantendots sind zwar unschlagbar schnell, wenn es um die Verarbeitung von Quanteninformationen geht. Leider vergessen sie das Ergebnis dieser Berechnung aber ebenso rasch wieder – zu rasch, um in einem Quantencomputer wirklich nützlich zu sein.

Geladene Atome, Ionen genannt, haben dagegen ein exzellentes Gedächtnis: Sie können Quanteninformationen für viele Minuten speichern. In der Quantenwelt ist das eine Ewigkeit. Zum schnellen Rechnen eignen sie sich bisher allerdings weniger, da die internen Prozesse vergleichsweise langsam ablaufen. Die Physiker aus Bonn und Cambridge haben daher beide Bausteine, qDots und Ionen, zur Teamarbeit verdonnert. Experten sprechen auch von einem Hybrid-System, weil es zwei komplett unterschiedliche Quantensysteme miteinander kombiniert.

Schusselige qDots

qDots gelten bei der Entwicklung von Quantencomputern als große Hoffnungsträger. Im Prinzip sind sie extrem miniaturisierte Elektronenspeicher. qDots lassen sich mit denselben Techniken wie normale Computerchips herstellen. Dazu muss man die Strukturen auf den Chips nur so verkleinern, bis sie nur noch ein einziges Elektron fassen (im herkömmlichen PC sind es dagegen 10 bis 100 Elektronen).

Das in einem qDot gespeicherte Elektron kann Zustände annehmen, wie sie durch die Quantentheorie vorhergesagt werden. Allerdings sind diese sehr kurzlebig: Sie zerfallen binnen weniger Picosekunden (zur Illustration: das Licht legt in einer Picosekunde lediglich eine Strecke von 0,3 Millimetern zurück).

Bei diesem Zerfall entsteht ein kleiner Lichtblitz: ein Photon. Photonen sind Wellenpakete, die in einer festgelegten Ebene schwingen – der Polarisationsrichtung. Der Zustand des qDots bestimmt, welche Polarisationsrichtung das Photon hat. „Wir haben das Photon genutzt, um damit ein Ion anzuregen“, erläutert Prof. Dr. Michael Köhl vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. „Dabei haben wir gespeichert, welche Polarisationsrichtung das Photon hatte.“

Gewissenhafte Ionen

Dazu brachten die Forscher eine dünne Glasfaser an dem qDot an. Über diese Faser transportierten sie das Photon zum viele Meter entfernten Ion. Ganz ähnlich arbeiten Glasfasernetzwerke, wie sie in der Telekommunikation eingesetzt werden. Um die Informationsübertragung möglichst effizient zu machen, hatten sie das Ion zwischen zwei Spiegel gesperrt. Die Spiegel warfen das Photon wie einen Ping-Pong-Ball hin und her, bis es vom Ion absorbiert wurde.

„Durch Beschuss mit einem Laserstrahl konnten wir das so angeregte Ion auslesen“, erklärt Prof. Köhl. „Wir konnten dabei messen, welche Polarisationsrichtung das zuvor absorbierte Photon hatte.“ Der Zustand des qDots kann also gewissermaßen im Ion konserviert werden – theoretisch gelingt das für viele Minuten.

Der Erfolg ist ein bedeutender Schritt auf dem noch langen und steinigen Weg zum Quantencomputer. Langfristig erhoffen sich Forscher rund um den Globus wahre Wunderdinge von diesem neuen Rechnertypus: Bestimmte Aufgaben wie die Zerlegung großer Zahlen in ihre Faktoren sollte er spielend bewältigen können. Herkömmliche Computer beißen sich daran dagegen die Zähne aus. Seine Talente entfaltet der Quantencomputer allerdings nur bei derartigen Spezialaufgaben: Bei den normalen Grundrechenarten ist er erbärmlich langsam.

Publikation: H. M. Meyer, R. Stockill, M. Steiner, C. Le Gall, C. Matthiesen, E. Clarke, A. Ludwig, J. Reichel, M. Atatüre, M. Köhl: Direct photonic coupling of a semiconductor quantum dot and a trapped ion; Physical Review Letters

Kontakt für die Medien:

Prof. Dr. Michael Köhl
Physikalisches Institut
der Universität Bonn
Tel. 0228/734899
E-Mail: michael.koehl@uni-bonn.de

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.123001 Veröffentlichung im Internet

Johannes Seiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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