Geschützte Quantenbits

Der Bau des Quantencomputers ist eine technologische Vision, deren künftige Realisierung nicht nur in der Informatik und den Informationswissenschaften vorangetrieben wird. Der Fortschritt der praktischen Umsetzung hängt wesentlich auch von neuen Erkenntnissen in der theoretischen Physik ab. In jedem Computer oder Kommunikationsgerät sind Informationen in physikalische Systeme eingebettet.

„Für den Quantencomputer sind es zum Beispiel Spin-Qubits, mit denen versucht wird, Informationsverarbeitung zu realisieren“, erklärt Professor Dr. Guido Burkard, der zu diesem Thema in einer aktiven Kooperation mit der Princeton University forscht.

Die theoretischen Erkenntnisse, die zur aktuellen Publikation geführt haben, wurden an der Universität Konstanz, maßgeblich auch durch den Erstautor der Studie, seinen Doktoranden Maximilian Russ, gewonnen.

Im Zentrum der physikalischen Perspektive auf den Quantencomputer stehen vor allem Spin-Qubits und deren natürliche magnetische Eigenschaften. Spins, die in der Quantentechnologie als Speicher nutzbar sind, können jedoch nur gezielt angesteuert werden, wenn sie geordnet aufgereiht werden. „Normalerweise“, beschreibt Guido Burkard weiter, „ werden Magnete – wie bei der Kompassnadel im Erdmagnetfeld – mithilfe von Magnetfeldern gesteuert. Da die Teilchen sehr klein und die Magnete sehr schwach sind, ist eine Steuerung hier sehr schwierig“.

Eine Herausforderung, der die Physiker mit elektrischen Feldern und einem entsprechenden Verfahren entgegenwirken, bei dem mehrere Elektronen, in diesem Fall vier, ein Quantenbit darstellen. Ein weiteres Problem sind die Elektronenspins, die relativ empfindlich und fragil sind. Selbst in reinen Festkörpern aus Silicium reagieren sie auf äußere Störungen mit einem Rauschen elektrischer oder magnetischer Art.

Die theoretische Modellierung und Berechnung, wie Quantenbits vor diesem Rauschen geschützt werden können, stehen im Zentrum der aktuellen Studie, die somit einen Beitrag zur Grundlagenforschung für den Quantencomputer leistet: Gelingt es dieses Rauschen wenn auch nur für eine kurze Zeit abzuschirmen, sind in diesen Sekundenbruchteilen – zumindest theoretisch – tausende von Rechneroperationen möglich.

Für die Konstanzer Physiker ist der nächste Schritt, ihre theoretische Konzeption im Experiment zu testen. Dabei steigert sich die Anzahl der einsetzbaren Elektronen erstmals von drei auf vier Stück. Hierfür kann Guido Burkard mit seiner Arbeitsgruppe auf die Unterstützung der Kooperationspartner in Princeton zurückgreifen.

Denn in der Kooperation sind die Rollen so verteilt, dass die theoretische Arbeit in Konstanz geleistet wird und die Kolleginnen und Kollegen in den USA experimentellen Teil übernehmen. Nicht nur die eigene Forschungsarbeit sorgt dafür, dass der Forschungsstandort Konstanz im Bereich der Qubits international renommiert ist. Im September dieses Jahres kam die zu diesem Thema weltweit führende wissenschaftliche Community zur „4th School and Conference on Based Quantum Information Processing“ in Konstanz zusammen.

Faktenübersicht:
• Konstanzer Physiker um Guido Burkard veröffentlichen ein theoretisches Konzept zur Realisierung von Quanten-Informationsverarbeitung. Die Arbeit ist aktuell in der renommierten Zeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen.
• Link zur Originalpublikation
https://journals.aps.org/prl/accepted/cf071Y52H8314171f2e801d42078646e42f9e53aa
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.177701
• In der theoretischen Modellierung und Berechnung zeigt die Studie, wie Quantenbits vor magnetischen und elektronischen Störungen geschützt werden können. Die neuen Erkenntnisse tragen für den Fortschritt des Quantencomputers zur Grundlagenforschung bei.
• Durch die mögliche Abschirmung des störenden elektrischen oder magnetischen Rauschens, wird die Kohärenzzeit von Spin-Qubits verlängert und es besteht damit die Option auf viele potentielle Rechneroperationen.
• Die Konstanzer Forschungen zu Spin-Qubits im Bereich der theoretischen Physik agieren in einer aktiven Kooperation mit der Princeton University. Die neuen Erkenntnisse können nun experimentell erprobt werden.
• Weiterführende Links:
https://www.uni-konstanz.de/spinqubits
https://theorie.physik.uni-konstanz.de/burkard/
http://pettagroup.princeton.edu/

Hinweis an die Redaktionen:
Eine Abbildung kann im Folgenden heruntergeladen werden:

https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2018/Bilder/Geschuetzte_Quan…
Schematische Darstellung des neuen Spin Qubits bestehend aus vier Elektronen (rot) mit ihren Spins (blau) in der umgebenden Halbleiterstruktur (grau).
Copyright: Maximilian Russ/Guido Burkard

Kontakt:
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Kommunikation und Marketing
Telefon: + 49 7531 88-3603
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– uni.kn