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Ein Schritt in Richtung Quantencomputer: Forschergruppe entwickelt Quantenregister bei Raumtemperatur

01.03.2010
Nature Physics: Kopplung von Stickstoffzentren im Diamant gelungen

Ein weiterer entscheidender Schritt in Richtung Quantencomputer ist geglückt: Forschern der Ruhr-Universität Bochum, der Universitäten Stuttgart und Austin/Texas (USA) gelang es erstmals, zwei Stickstoffatome in einem Abstand von nur wenigen Nanometern so zu platzieren, dass über eine Laseranregung eine quantenmechanische Koppelung entsteht.

Der Clou daran: Nur in einem Diamanten funktioniert das hoch genau, zuverlässig und sogar bei Raumtemperatur. Der Teilchenbeschleuniger RUBION der Ruhr-Universität hat die ideale Ausstattung für diese Ionenimplantation von Diamanten und stellt die Implantation inzwischen auch anderen Universitäten wie Harvard oder dem MIT zur Verfügung. "Am Anfang haben viele Gruppen auf Silizium gesetzt", sagt Dr. Jan Meijer vom Bochumer RUBION, "aber diese Forschungen zeigen, dass sich Diamanten besonders gut für gekoppelte Quantenschaltungen eignen." Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in der renommierten Zeitschrift "Nature Physics".

Darum Diamant

Die Forschungsergebnisse bestätigen die bereits seit einigen Jahren aufgestellte Vermutung der Stuttgarter Wissenschaftler Prof. Dr. Jörg Wrachtrup und Dr. Fedor Jelezko über die besonderen Eigenschaften des Diamanten: Die Farbzentren oder auch NV-Zentren liegen stabil im umgebenden Kohlenstoffgitter - wobei N für ein Stickstoffatom steht und V für eine Lücke. Da es im Diamanten quasi keine "Diffusion" gibt, wandern die Atome nicht hin und her. Mit einem Laser gezielt beschossen, reagieren die beiden Stickstoffzentren und es kommt zu einer manipulierbaren Überlagerung der Spin-Zustände- den Drehbewegungen der Elektronen. Diese sehr komplexen Untersuchungen fanden in Stuttgart statt.

Mehrere Zustände gleichzeitig

Spin up - Spin down: Das sind zunächst die beiden Zustände, die die gekoppelten Atome annehmen können, vergleichbar mit "0" und "1" beim Computer. Die Vorgänge in dieser "Quantenschaltung" sind jedoch wesentlich komplexer. "So präparierte, mikroskopische und quantenmechanische Systeme unterscheiden sich vollkommen von unserer alltäglichen Erfahrung und können zum Beispiel mehrere Zustände gleichzeitig annehmen", sagt Jan Meijer. "Das kann man sich in etwa so vorstellen wie zwei herkömmliche PC-Speicher, die man so koppelt, dass sie gegenseitig interferieren."

Quantencomputer: Der Anfang ist gemacht

Dass die Kopplung der Atome im Farbzentrum des Diamanten selbst bei Raumtemperatur noch funktioniert, ist eine entscheidende Voraussetzung für den Aufbau des Quantencomputers. Meijer: "Grundsätzlich ist es dann denkbar und möglich, mehrere dieser NV-Zentren gezielt durch Ionenimplantation herzustellen und skalierbar zu verschalten und das über einen klassischen Computer zu steuern." Schritt für Schritt soll die Anzahl der Kopplungen nun erhöht werden. "Das ist eine große Herausforderung", so Meijer, "denn je höher die Anzahl der Schaltungen, desto schneller zerfällt das System wieder in seine Einzelteile."

Unbegrenzte Möglichkeiten

Die Möglichkeiten sind - theoretisch - unermesslich: Verbindet man nur 100 dieser NV-Zentren miteinander, entstehen zwei hoch hundert gekoppelte Speicherelemente. "Das ist physikalisch gesehen erheblich mehr, als man bräuchte, um das gesamte Wissen der Menschheit zu speichern", veranschaulicht Dr. Meijer die Dimensionen. Mit den Gesetzen der Quantenmechanik lässt sich eine ganz neue Rechnertechnologie aufbauen - damit könnte man zum Beispiel die Eigenschaften komplexer biologischer Moleküle berechnen oder in Sekundenbruchteilen Codes knacken.

Titelaufnahme

Neumann et al.: Quantum register based on coupled electron spins in a room-temperature solid. In: Nature Physics, Published online: 28 February 2010, doi: 10.1038/NPHYS1536

Weitere Informationen

PD Dr. Jan Meijer, RUBION, Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-26612, E-Mail: jan.meijer@rub.de

Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, Universität Stuttgart, 3. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-65278, E-Mail: wrachtrup@physik.uni-stuttgart.de

Redaktion: Jens Wylkop

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

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