Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf dem Weg zum Quantencomputer: Forscherteam mit RUB-Beteiligung erzeugt fliegende Quantenbits

19.03.2012
So wächst das Alphabet der Datenverarbeitung

Das Alphabet der Datenverarbeitung könnte in Zukunft mehr Elemente als die „0“ und „1“ umfassen. Ein internationales Forscherteam hat mit einzelnen Elektronen eine neue Art von Bits realisiert, die so genannten Quantenbits. Mit ihnen lassen sich weitaus mehr als zwei Zustände definieren.


Elektronen-Einbahnstraßen: In diesem Doppelkanal bewegen sich Elektronen (blau) auf definierten, parallelen Wegen. Immer nur ein einzelnes Elektron passt auf einmal hindurch. Durch Tunnelkopplung kann das Elektron zwischen den Kanälen hin- und herwechseln und nimmt dabei zwei verschiedene Zustände ein, die mit „Pfeil nach oben“ und „Pfeil nach unten“ bezeichnet sind. Das Elektron fliegt quasi gleichzeitig in beiden Spuren, seine beiden Zustände überlagern sich. Abbildung: Andreas Wieck

Bislang existierten Quantenbits nur in relativ großen Vakuumkammern, das Team erzeugte sie nun in Halbleitern. So setzten sie einen Effekt in die Tat um, den RUB-Physiker Prof. Dr. Andreas Wieck bereits vor 22 Jahren theoretisch vorhergesagt hatte. Damit ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer getan. Gemeinsam mit Kollegen aus Grenoble und Tokyo berichtet Wieck vom Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik über die Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Nanotechnology.

Herkömmliche Bits

Die Grundeinheit der heutigen Datenverarbeitung sind die Bit-Zustände „0“ und „1“, die sich in ihrer elektrischen Spannung unterscheiden. Um diese Zustände zu codieren, ist nur die Ladung der Elektronen entscheidend. „Elektronen haben aber auch noch andere Eigenschaften“, sagt Wieck und genau die braucht man für Quantenbits. „Die Erweiterung von Bits auf Quantenbits kann die Rechenleistung von Computern dramatisch steigern“, so der Physiker.

Die neue Bit-Generation

Ein Quantenbit entspricht einem einzigen Elektron in einem bestimmten Zustand. Gemeinsam mit seinen Kollegen nutzte Wieck die Flugbahnen eines Elektrons durch zwei dicht beieinander liegende Kanäle für die Codierung. Prinzipiell sind zwei verschiedene Zustände möglich: Das Elektron bewegt sich entweder im oberen Kanal oder im unteren Kanal – das wäre dann aber wieder nur ein binäres System. Laut Quantentheorie kann sich ein Teilchen jedoch gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden, also quasi zur selben Zeit durch beide Kanäle fliegen. Diese überlagerten Zustände können ein umfangreiches Alphabet der Datenverarbeitung bilden.

Ein Rezept für Quantenbits

Um Quantenbits mit unterschiedlichen Zuständen zu erzeugen, ließen die Forscher einzelne Elektronen mit sich selbst interferieren. Das funktioniert mit dem so genannten Aharonov-Bohm-Effekt: Angetrieben von einer äußeren Spannung fliegen die Elektronen durch einen halbleitenden Festkörper. Innerhalb dieses Festkörpers wird ihre Flugbahn erst gegabelt und schließlich wieder zusammengeführt. Dabei fliegt jedes Elektron gleichzeitig auf beiden möglichen Wegen. Vereinen sich die beiden Wege wieder, kommt es zur Interferenz, das heißt die beiden Elektronenwellen überlagern sich und es entstehen Quantenbits mit verschiedenen überlagerten Zuständen.

Elektronen auf definierte Wege lenken

Normalerweise bewegt sich eine Elektronenwelle gleichzeitig auf vielen verschiedenen Pfaden durch einen Festkörper. Durch Verunreinigungen im Material verliert sie ihre Phaseninformation und somit ihre Fähigkeit, einen bestimmten Zustand zu codieren. Um die Phaseninformation zu erhalten, züchteten die Forscher an der RUB einen hochreinen Galliumarsenid-Kristall und nutzten den von Wieck vor über 20 Jahren vorgeschlagenen Doppelkanal.

So funktioniert der Doppelkanal

Ein Elektron erreicht die Weggabelung über zwei dicht beieinander liegende Kanäle. Diese sind miteinander gekoppelt (Tunnelkopplung), so dass das Elektron gleichzeitig auf zwei verschiedenen Pfaden fliegt. Die Phasen der Elektronenwellen bleiben durch die Kopplung erhalten. Den gleichen Doppelkanal verwendete das Team auch, nachdem die Elektronenwellen sich am Ende der Weggabelung wieder vereinten. So erzeugten sie Quantenbits mit eindeutigen Zuständen, die sich eignen, um Information zu codieren. „Leider nehmen noch nicht alle Elektronen an diesem Prozess teil, bislang nur ein paar Prozent“, kommentiert Wieck. „Einige Doktoranden an meinem Lehrstuhl sind aber schon dabei, Kristalle mit höheren Elektronendichten wachsen zu lassen.“

Titelaufnahme

M. Yamamoto, S. Takada, C. Bäuerle, K. Watanabe, A.D. Wieck, S. Tarucha (2012): Electrical control of a solid-state flying qubit, Nature Nanotechnology, doi:10.1038/nnano.2012.28

Weitere Informationen

Prof. Dr. Andreas Wieck, Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik, Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum,
Tel.: 0234/32-28786
andreas.wieck@rub.de

Angeklickt

Frühere Presseinformation zum Thema
http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2011/pm00287.html.de

Redaktion
Dr. Julia Weiler

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis
25.05.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

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: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics