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 CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen
23.05.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Heiße Materialien: Fachartikel zum pyroelektrischen Koeffizienten
23.05.2017 | Technische Universität Bergakademie Freiberg

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: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Medikamente aus der CLOUD: Neuer Standard für die Suche nach Wirkstoffkombinationen

23.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungsnachrichten

CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen

23.05.2017 | Physik Astronomie