Diamant & Mikrowelle

Quantencomputer: Wiener verdoppeln Speicherzeit

(Bild: TU Wien)

Bereits vor drei Jahren haben Forscher der Technischen Universität Wien gezeigt, dass sich mit Diamant und Mikrowellen zwei völlig verschiedene Quantensysteme koppeln lassen, um - analog zum herkömmlichen Computer - Prozessor und Arbeitsspeicher eines Quantencomputers zu bilden. Nun konnten sie die Speicherdauer in diesem Hybridsystem deutlich verbessern, wie sie im Fachjournal "Nature Physics" berichten.

Mit dem Quantencomputer wollen die Wissenschaftler die seltsam anmutenden Eigenschaften der Quantenwelt für besonders schnelle Berechnungen nutzen. In der herkömmlichen Informationstechnologie ist das Bit die kleinste Informationseinheit, es kann zwei Zustände - etwa Ja/Nein oder 0/1 - einnehmen.

Beim Quantencomputer sollen Quantenzustände als kleinste Einheit - genannt Quantenbit - dienen. Aufgrund der Gesetze der Quantenwelt kann ein solcher Quantenzustand den Schwebezustand zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen, also nicht nur den Wert 0 oder 1, sondern auch alle Werte dazwischen.

Speicherzeit verdoppelt
Ein großes Problem dabei ist, dass gespeicherte Quantenzustände durch Wechselwirkungen mit der Umgebung extrem leicht zerstört werden. Johannes Majer und seinem Team vom Atominstitut der TU Wien ist es nun gelungen, einen speziellen Schutzeffekt zu nutzen, um die Stabilität des von ihnen vorgeschlagenen Quantensystems deutlich zu erhöhen. "Wir konnten damit die Speicherzeit auf 500 Nanosekunden verdoppeln", sagte Majer.

Mikrowelle trifft auf Diamant
Das System besteht aus einer Diamantschicht, in die Stickstoffatome als Störstellen eingebaut sind. Über den Eigendrehimpuls der Stickstoffatome, den sogenannten Spin, kann Quanteninformation gespeichert werden. Eingeschrieben bzw. ausgelesen wird diese Information über Mikrowellen-Photonen aus einem an die Diamantschicht gekoppelten Mikrowellenresonator. In diesem werden Lichtteilchen mit einer Wellenlänge im Mikrowellen-Bereich hin- und herreflektiert und treten dabei in Wechselwirkung mit den Stickstoffatomen.

Ein Problem ist, dass die Stickstoffatome im Diamant leicht unterschiedliche Schwingungsfrequenzen haben. Deshalb schwingen sie nach einiger Zeit völlig durcheinander und der Quantenspeicher geht in Zustände über, die für Informationsübertragung nicht mehr genutzt werden können - die Physiker sprechen von "Dekohärenz".

Die Wissenschaftler verhindern dies durch eine starke Wechselwirkung bei sehr tiefen Temperaturen zwischen den Atomspins und dem Mikrowellenresonator. Dadurch schwingen die Stickstoffatome viel länger im Gleichtakt und die Quanteninformation kann wesentlich länger aus den Atomspins ausgelesen werden.