Sa, 18. November 2017

„Langzeitgedächtnis“

22.06.2012 12:11

Neuer Fortschritt auf dem Weg zum Quantencomputer

Der Quantencomputer ist ein Traum der Wissenschaft, schließlich ließen sich damit extrem schnell hochkomplexe Rechengänge ausführen. Problematisch ist jedoch, dass Quanteninformationen nur schwer zu speichern sind und meist binnen weniger Millisekunden verloren gehen. Wissenschaftlern in den USA, darunter der Österreicher Georg Kucsko von der Harvard University, und Deutschland ist es nun aber gelungen, Quanteninformationen zu einem beinahe tausendfach erhöhten "Langzeitgedächtnis" zu verhelfen.

Auf dem Weg zum Quantencomputer versuchen Physiker mit verschiedenen Methoden, Quanteninformationen zu speichern. Doch bisher funktionierten die Verfahren nur knapp über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) - oder die gespeicherte Quanteninformation ging nach wenigen Millisekunden verloren.

Die deutschen und US-Forscher konnten nun aber einen Quantenzustand in einem Diamantkristall für mehr als eine Sekunde bei Raumtemperatur speichern, wie sie vor Kurzem im Wissenschaftsmagazin "Science" berichteten.

Unendliche Möglichkeiten statt 0/1
Bei einem Quantencomputer sollen einmal Phänomene der Quantenwelt für extrem schnelles Rechnen genutzt werden. Während in der herkömmlichen Informationstechnologie das Bit als kleinste Informationseinheit zwei Zustände (Ja/Nein oder 0/1) einnehmen kann, sollen beim Quantencomputer Quantenzustände als kleinste Einheit dienen, sogenannte Quantenbits (Qubits). Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand unendlich viele verschiedene Schwebezustände zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen.

Hoffen auf fälschungssichere Speicherung
Um Qubits zu speichern, werden unterschiedliche physikalische Systeme eingesetzt, beispielsweise Atome, die ähnlich wie Eier in einem Eierkarton in einem Gitter aus gekreuzten Laserstrahlen liegen, oder Atomkerne in einem Festkörper. Ein Quantenspeicher aus mehreren Qubits würde eine fälschungssichere Speicherung ermöglichen, denn die Gesetze der Quantenphysik verbieten die Kopie eines Quantenzustands. Zudem kann nur jemand den Inhalt auslesen, der die Bedingungen kennt, unter denen der Speicher beschrieben worden ist.

Speicherzeit um fast das Tausendfache erhöht
Allerdings sind die Anforderungen an einen Quantenspeicher hoch: Einerseits muss er von der Umwelt so gut wie möglich isoliert werden, damit die Quanteninformation nicht durch Einflüsse von außen zerstört wird. Andererseits muss die Information in den Speicher geschrieben und ausgelesen werden können, eine völlige Isolierung ist daher nicht möglich. Den Wissenschaftern der Harvard University, wo Kucsko derzeit unter der Leitung von Mikhail Lukin sein Doktoratsstudium absolviert, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik rund um den theoretischen Physiker Ignacio Cirac und des California Institute of Technology ist es nun gelungen, diese widersprüchlichen Ansprüche unter einen Hut zu bringen und die bisherige Speicherzeit um fast das Tausendfache zu erhöhen.

Künstlicher Diamant hilft
Sie verwenden dazu künstlich hergestellte Diamanten, die mit geringen Mengen des Kohlenstoff-Isotops C-13 und Stickstoff verunreinigt sind. Als Qubit dient ein C-13-Atomkern, konkret dessen Spin, der ein magnetisches Moment verursacht. Der Kern verhält sich daher wie ein winziger Stabmagnet, der sich im Verhältnis zu einem von außen angelegten Magnetfeld parallel oder antiparallel ausrichten kann - wobei diese beiden Zustände in ihrem Extremwert der 0 und 1 des Qubits entsprechen. Die Information kann aber nicht direkt im C-13-Kern gespeichert bzw. ausgelesen werden, dafür ist ein Umweg notwendig.

In direkter Umgebung des Stickstoffatoms fehlt ein Kohlenstoffatom. Ein solches Konstrukt mit einer Fehlstelle nennt sich N-V-Zentrum (N für Stickstoff und V für den englischen Begriff Fehlstelle: Vacancy). Sein Zustand beeinflusst jenen eines benachbarten C-13-Atoms. Über den Umweg des N-V-Zentrums kann daher mithilfe von Laser-, Mikro- oder Radiowellen Information in das C-13-Atom eingeschrieben und ausgelesen werden. Weil der C-13-Kern ein vergleichsweise kleines magnetisches Moment besitzt, reagiert es weniger empfindlich auf Umwelteinflüsse und kann daher die Quanteninformation länger behalten.

Durch verschiedene zusätzliche Maßnahmen konnte die Lebensdauer des Qubits auf etwa 1,4 Sekunden gesteigert werden. Die Wissenschaftler halten sogar eine Speicherdauer von 36 Stunden für möglich.

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