Lauschangriff aufs Elektron

Blick in den geöffneten Kryostaten: In Betrieb wird der Objektträger mit montierter Probe im Vakuum bei rund -270°C analysiert.
(c) Hendrik Mannel / UDE/SFB 1242

Ein an der Universität Duisburg-Essen entwickeltes Verfahren ermöglicht es, Daten aus verrauschten Signalen auszulesen: Dazu haben Theoretische Physiker:innen und ihre experimentell arbeitenden Kolleg:innen zusammengearbeitet und ihre Erkenntnisse in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Physical Review Research“ veröffentlicht. Die von ihnen beschriebene Methode könnte auch für Quantencomputer bedeutend sein.

Man kennt es vom Autoradio: Je schwächer das Signal, desto störender das Rauschen. Dieses Phänomen tritt auch bei Labormessungen auf. Forschende des Sonderforschungsbereichs 1242 und des Center for Nanointegration (CENIDE) an der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben eine Methode beschrieben, wie sich aus Rauschen noch Daten gewinnen lassen.

Was in einem gängigen Computer ein Bit ist, also Zustand 1 (Strom an) oder Zustand 0 (Strom aus), übernehmen im Quantencomputer die Quantenbits, kurz Qubits. Dazu brauchen sie definierte und unterscheidbare Zustände. Diese können sich zeitgleich überlagern und ermöglichen daher ein Vielfaches der heutigen Rechenleistung eines üblichen Computers. So könnten sie auch da eingesetzt werden, wo heutige Supercomputer überfordert sind, so zum Beispiel bei der Suche in extrem großen Datenbanken.

Im Sonderforschungsbereich 1242 werden kleinste Strukturen und ihre Veränderungen untersucht, unter anderem auch Quantenpunkte. Diese nanometerkleinen Strukturen lassen sich in ihren elektronischen und optischen Eigenschaften im Labor maßschneidern. Vereinfacht ausgedrückt können ihre Elektronen zwei verschiedene Drehrichtungen einnehmen („Spin Up“ und „Spin Down“). So lassen sich die für Quantencomputer notwendigen Qubits realisieren. Diese sollten möglichst lange stabil sein, damit keine Information verloren geht. „Mit unserer neuartigen Technik konnten wir nachweisen, dass sich Spinzustände gezielt präparieren lassen und gleichzeitig bestimmen, wie lange ein solcher Zustand erhalten bleibt“, erklärt Dr. Eric Kleinherbers, bis vor Kurzem Postdoc in der Theoretischen Physik um Prof. Dr. Jürgen König, heute an der University of California, Los Angeles.

Dafür wurde eine Quantenpunkt-Probe dauerhaft einem anregenden Laser ausgesetzt und das entstehende Rauschen über lange Zeit aufgenommen. Den Theoretischen Physikern um Kleinherbers gelang es dabei, aus diesem scheinbar zufälligen optischen Signal die Lebensdauer der Spinzustände zu extrahieren. Diese Erkenntnis hatte Rolf Landauer, ein Pionier der Informationstheorie, schon 1998 vorhergesagt und mit dem Satz „Das Rauschen ist das Signal!“ zusammengefasst. Die verwendete Technik ermöglicht es nun, auch ältere, scheinbar nutzlose Daten vorangegangener Experimente noch einmal neu auszuwerten und bislang verborgen gebliebene Signale zu entdecken.

Redaktion: Peter Kohl, SFB 1242, Tel. 0203/37 9-2822, peter.kohl@uni-due.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Eric Kleinherbers, Theoretische Physik, eric.kleinherbers@uni-due.de

Originalpublikation:

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.5.043103

http://www.uni-duisburg-essen.de/

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Birte Vierjahn Ressort Presse - Stabsstelle des Rektorats
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