Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Unerwartete Kühleffekte rücken Quantencomputer näher

29.08.2012
In der experimentellen Physik kann das Kühlen auf immer tiefere Temperaturen zur Entdeckung neuer Naturgesetze führen.

Das Team um Prof. Dominik Zumbühl von der Universität Basel hat nun in Zusammenarbeit mit dem IBM-Forschungslabor in Rüschlikon beobachtet, dass in Nanostrukturen bei sehr tiefen Temperaturen ein bislang etabliertes Naturgesetz verletzt wird.


Zwei Elektronen in einer Galliumarsenid-Nanostruktur für Quantencomputing
Grafik: Universität Basel

Diese Entdeckung könnte wichtige Konsequenzen für den Bau eines Quantencomputers haben. Zusammen mit der Aalto-Universität in Finnland konnten die Basler Physiker zudem den bisher kältesten «Kühlschrank» für Nanostrukturen entwickeln. Die Resultate sind in «Physical Review Letters» und «Review of Scientific Instruments» publiziert.

Nanostrukturen – beispielsweise auf Quantenmechanik basierende elektronische Bauteile – sind vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung eines Quantencomputers. Soll ein solcher Computer die ihm vorausgesagte enorme Rechenleistung erbringen, müssen die Nanostrukturen auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Erst bei diesen extremen Bedingungen lassen sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Elektronen, die Spins, kontrollieren.
Ein Forscherteam um den Basler Physikprofessor Dominik Zumbühl hat nun zusammen mit dem IBM-Forschungslabor in Rüschlikon entdeckt, dass sich bei diesen Temperaturen die Spins innerhalb der Nanostrukturen deutlich besser kontrollieren lassen als bisher angenommen.

Naturgesetz bei tiefen Temperaturen verletzt
Das sogenannte Korringa-Gesetz ist ein Naturgesetz, das die Kopplung zwischen dem Magnetismus (Spin) der Elektronen und demjenigen der Kerne in einem Metall beschreibt. Es besagt, dass die Kopplungsstärke der Kernspins proportional zur Temperatur der Elektronen ist. Die Forscher untersuchten diese Kopplung mit einer neu entwickelten Methode und stellten dabei fest, dass das Korringa-Gesetz bei sehr tiefen Temperaturen verletzt ist.

Die auf elektronischen Messungen basierende Methode verwendet ein sogenanntes Spin-Valve, mit dem magnetisch polarisierte Elektronen im metallischen Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) kontrolliert erzeugt werden können. Mit der Spin-Valve-Methode konnten die Forscher nun zeigen, dass die Kopplung zwischen dem Magnetismus von Elektronen und Kernen in GaAs wesentlich stärker ist als erwartet. Mit der entdeckten stärkeren Kopplung von Elektronen- und Kernspin könnte man mit einer bereits etablierten magnetischen Kühltechnik für Kerne künftig eine bessere Kühlung der Elektronen erzielen.

Kältester Nano-Kühlschrank
Ein Quantencomputer löst komplexe Rechenvorgänge wie Klimasimulationen in einem Bruchteil der Zeit, die der beste heute existierende Computer benötigt. Elektronen in GaAs-Nanostrukturen gehören zu den bedeutendsten Anwärtern für die Realisierung eines künftigen Quantencomputers. Diese Idee geht auf den Basler Physikprofessor Daniel Loss zurück, der dafür mit dem Marcel-Benoist-Preis 2010 ausgezeichnet wurde. Ein solcher Quantencomputer kann nur bei sehr tiefen Temperaturen funktionieren. Die Basler Physiker haben zu diesem Zweck mit Unterstützung eines Starting Grant des European Research Council einen Kühlschrank speziell für Nanostrukturen entwickelt, welcher nun Temperaturen von weniger als einem tausendstel Grad Celsius über dem absoluten Temperaturnullpunkt erreicht hat. Damit erzielten die Forscher den Kälterekord für einen Nanostruktur-Kühlschrank. Bei solch tiefen Temperaturen wird allgemein eine stark dezimierte Fehlerrate beim künftigen Quantencomputing erwartet. Ausserdem erhoffen sich die Forscher, bei den tiefsten Temperaturen eine neue Art von Materie zu entdecken.

Die Erforschung der Grundlagen und Entwicklung des Quantenrechners ist ein Schwerpunkt am Departement Physik der Universität Basel. Am Basel Center for Quantum Computing and Quantum Coherence (QC2) arbeiten dazu mehrere Forschungsgruppen zusammen. Die Forschungsinitiative wird sowohl vom Swiss Nanoscience Institute (SNI) als auch vom Nationalen Forschungsschwerpunkt Quantum Science and Technology (Co-leading house Basel) gefördert.

Originalbeiträge
D. Kölbl, D. M. Zumbühl, A. Fuhrer, G. Salis, S. F. Alvarado
Breakdown of the Korringa Law of Nuclear Spin Relaxation in Metallic GaAs
Phys. Rev. Lett. 109, 086601 (2012) | doi: 10.1103/PhysRevLett.109.086601

L. Casparis, M. Meschke, D. Maradan, A. C. Clark, C. Scheller, K. K. Schwarzwälder, J. P. Pekola, D. M. Zumbühl
Metallic Coulomb Blockade Thermometry down to 10 mK and below
Rev. Sci. Instr. 83, 083903 (2012) | doi: 10.1063/1.4744944

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Dominik Zumbühl, Departement Physik der Universität Basel, Tel. +41 (0)61 267 36 93, E-Mail: Dominik.Zumbuhl@unibas.ch

Dr. Thomas Schnyder | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i8/e086601
http://rsi.aip.org/resource/1/rsinak/v83/i8/p083903_s1

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung
21.02.2017 | Forschungszentrum Jülich

nachricht Sternenmusik aus fernen Galaxien
21.02.2017 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Im Focus: Breakthrough with a chain of gold atoms

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

Im Focus: Hoch wirksamer Malaria-Impfstoff erfolgreich getestet

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Der Lkw der Zukunft kommt ohne Fahrer aus

21.02.2017 | Veranstaltungen

Physikerinnen und Physiker diskutieren in Bremen über aktuelle Grenzen der Physik

21.02.2017 | Veranstaltungen

Kniffe mit Wirkung in der Biotechnik

21.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit den Betriebsräten Sozialpläne

21.02.2017 | Unternehmensmeldung

Der Lkw der Zukunft kommt ohne Fahrer aus

21.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zur Sprache gebracht: Und das intelligente Haus „hört zu“

21.02.2017 | Messenachrichten