Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spin-Manipulation geglückt

19.04.2010
Superschnell und leistungsstark: So sollen Quantencomputer einmal sein. Doch vor der Realisierung dieses völlig neuen Computertyps stehen noch technische Hürden. Über Fortschritte auf diesem Gebiet berichten Physiker der Uni Würzburg in "Nature Photonics".

"Zum Bau von Quantencomputern sind als Informationsträger gute Quantenbits nötig", sagt der Physiker Martin Kamp. Was ein gutes Quantenbit ausmacht? Es muss verschiedene physikalische Zustände annehmen können, die beliebig manipulierbar und möglichst langlebig sind.

Um solche Bauelemente zu erhalten, beschreiten Wissenschaftler weltweit verschiedene Wege. Die Würzburger Physiker und ihre Kooperationspartner in Japan und den USA setzen auf Nanostrukturen aus Halbleitermaterialien, so genannte Quantenpunkte. Ein Vorteil dieser Festkörpersysteme ist die Möglichkeit, mehrere Quantenbits auf einem Chip zu integrieren.

Manipulation des Spins durch Lichtpulse

In den untersuchten Strukturen befindet sich in jedem Quantenpunkt ein zusätzliches Elektron, dessen so genannter Spin zur Darstellung eines Quantenbits verwendet wurde. Der Spin entspricht, vereinfacht gesagt, der Eigendrehung der Elektronen und kann symbolisch durch einen Pfeil dargestellt werden. Die Quantenpunkte befinden sich in einem Magnetfeld, das eine Referenzachse für den Pfeil definiert. Zeigt der Pfeil entlang dieser Achse nur in zwei mögliche Richtungen, so hat man es mit einem klassischen Bit zu tun, mit dem heutige Computer rechnen. Bei einem Quantenbit dagegen sind alle Orientierungen in Bezug auf die Referenzachse relevant. Quantenbits codieren daher mehr Information als klassische Bits, sind aber auch anfälliger gegenüber Störungen, die zu einer Änderung der Orientierung führen können.

In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Photonics" beschreiben die Würzburger Physiker verschiedene Möglichkeiten, die Orientierung eines Spin zu manipulieren. "Durch Lichtpulse lässt sich der Spin in eine genau definierte Position bringen", erklärt Sven Höfling vom Physikalischen Institut. Von Dauer ist der gewünschte Zustand aber nicht; durch die Wechselwirkung des Spins mit der Umgebung des Quantenpunkts geht die in einem einzelnen Spin codierte Information normalerweise in wenigen Milliardstel Sekunden verloren. Die Überwindung dieses Effekts gilt als eine der größten Herausforderungen für die Realisierung von Quantencomputern.

Längere Lebensdauer des gewünschten Spin-Zustands

Mit einer ausgeklügelten Technik ist es den Physikern gelungen, die Lebensdauer des vorher eingestellten Spin-Zustands deutlich zu verlängern: Sie konnten ihn mehrere millionstel Sekunden lang stabil halten. "In dieser Zeit können an einem Quantenbit 100.000 Operationen durchgeführt werden, und das ist für den Einsatz in einem Quantencomputer eine sehr annehmbare Zahl", so Martin Kamp. Dies sei darauf zurückzuführen, dass sich die Spinzustände in Quantenpunkten durch ultrakurze Lichtpulse auch sehr schnell manipulieren lassen.

"Unsere Arbeit zeigt das große Potenzial auf, welches einzelne Spin-Quantenbits für den Einsatz in Quantencomputern oder als Quantenspeicher bei Verschlüsselungstechniken zur sicheren Datenübertragung haben", so das Fazit der Forscher.

Verschaltung der Spin-Quantenbits als nächstes Ziel

Nächstes Ziel der Physiker: mehrere Quantenbits miteinander zu verschalten. Dabei wollen sie die Quantenbits auch in photonische Netzwerke einbinden, in denen Signale durch Lichtpulse übermittelt werden. Dass sich Spin-Quantenbits in solche Schaltkreise integrieren lassen, gilt als vorteilhaft für die weitere Entwicklung dieser Technologie.

"Ultrafast optical spin echo in a single quantum dot", David Press, Kristiaan De Greve, Peter L. McMahon, Thaddeus D. Ladd, Benedikt Friess, Christian Schneider, Martin Kamp, Sven Höfling, Alfred Forchel, Yoshihisa Yamamoto, Nature Photonics, online publiziert am 18. April 2010, doi:10.1038/nphoton.2010.83

Kontakt

Sven Höfling, T (0931) 31-83613, sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de
Martin Kamp, T (0931) 31-85121, martin.kamp@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie