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Quantencomputer: Ein Quantum Geschwindigkeit

Der Weg zu einem Quantencomputer, der all das umsetzt, was man uns verspricht, ist lang. Und so verkünden Forscher bereits seit Jahren einen angeblich wichtigen Schritt nach dem nächsten. Jetzt erlaubt ein neues Verfahren, die Speichereinheiten unglaublich schnell zu kontrollieren und zu manipulieren.
In etwa 15 Jahren werden die Komponenten von Computerchips auf Molekülgröße geschrumpft sein. Dann werden die Gesetze der Quantenmechanik deren Funktionsweise stark beeinflussen und den Chipentwicklern neue Ideen abverlangen, um die störenden Einflüsse zu kompensieren. Stattdessen könnten Forscher die schrägen Gesetze des Mikrokosmos aber auch für sich arbeiten lassen.

Ein Rechner, der das bizarre Verhalten der Quanten gezielt nutzt, ein Quantencomputer also, könnte bestimmte Aufgaben, für die ein PC Jahrmillionen bräuchte, blitzschnell lösen. Beispiele wären das Zerlegen einer Zahl mit Hunderten von Stellen in ihre Primfaktoren oder das Durchforsten gigantischer Datenbanken.

Allerdings gibt es dabei ein Problem: Die quantenmechanischen Zustände von Ionen, Atomen oder Elektronen, mit deren Hilfe Quantencomputer einmal rechnen sollen, lassen sich von der Umgebung beeinflussen. Die Umwelteinflüsse würden nach einer bestimmten Zeit, der so genannten Dekohärenzzeit, Rechenfehler verursachen. Rechenoperationen sollten also abgeschlossen sein, bevor die Störungen zum Tragen kommen.

Die Länge der Dekohärenzzeit hängt davon ab, welche atomaren oder subatomaren Partikel der Quantenrechner zum Speichern von Daten und zu deren Verarbeitung nutzt. Forscher versuchen beispielsweise Qubits, die kleinsten Speichereinheiten eines Quantencomputers, mit Hilfe von Elektronen zu realisieren. Dafür stecken sie einzelne Teilchen in winzige Käfige innerhalb eines Halbleiters, in so genannte Quantenpunkte.

Versuchsaufbau | In diesem Apparat kontrollierten die Forscher einen einzelnen Quantenpunkt. Er befindet sich hinter der kleinen, runden Linse.
Forscher der Technischen Universität Dortmund fanden vor zwei Jahren experimentell heraus, dass die Dekohärenzzeit in diesem Fall einige millionstel Sekunden beträgt [1]. Entsprechend schnell muss also auch das Rechnen mit den Qubits vonstattengehen. Passend dazu gelang es nun einem Physikerteam um David Press von der Stanford University in Kalifornien, den quantenmechanischen Zustand eines Elektrons in einem Quantenpunkt innerhalb von weniger als 38 billionstel Sekunden gezielt zu verändern. Zum Vergleich: Licht braucht für die Strecke zum Mond etwa eine Sekunde, in einer billionstel Sekunde legt es weniger als einen Millimeter zurück.

Die blitzschnelle Methode verspricht also in aller gebotenen Eile einiges zu erledigen – etwa das Einlesen eines Quantenzustands in ein Qubit, das Physiker eine Ein-Qubit-Operation nennen. Sie bildet eine ebenso elementare Rechenoperation für einen Quantencomputer wie das Einlesen eines Bits in den Arbeitsspeicher eines herkömmlichen Computers. Mit dem neuen Verfahren lassen sich nun 100 000 solcher Ein-Qubit-Operationen innerhalb der Dekohärenzzeit des Qubits ausführen, berichten die Forscher [2].

Press und seine Kollegen verwendeten Quantenpunkte aus dem Halbleiter Galliumindiumarsenid, die sie in Galliumarsenid einbetteten. Darüber legten sie eine Siliziumschicht, aus der einzelne Elektronen in einzelne Quantenpunkte gelangen können. Dann kühlten die Forscher die Probe auf rund minus 272 Grad Celsius ab – gerade einmal 1,5 Grad über dem absoluten Nullpunkt –, legten ein sehr starkes Magnetfeld an und begannen damit, die Elektronen zu manipulieren.

Dazu nutzten sie den so genannten Spin der Elementarteilchen – er verleiht den Elektronen unter anderem ein magnetisches Moment, sorgt also dafür, dass sich der Minimagnet Elektron in einem äußeren Magnetfeld wie eine Kompassnadel entlang der Feldlinien ausrichtet. Der Spin eines Elektrons kann dabei nur zwei mögliche Richtungen einnehmen: "aufwärts" und "abwärts", also Spin up oder down.

Den Spinzustand der im Magnetfeld orientierten Elektronen legten die Physiker nun zunächst mit einem nur wenige billionstel Sekunden dauernden Puls aus zirkular polarisiertem Laserlicht fest, den sie im rechten Winkel zu den Feldlinien in den Quantenpunkt hineinfeuerten.

Auf das dadurch jetzt in einem kurzzeitig definierten Spinzustand wartende Elektron schmetterten Press und sein Team dann schnell zwei weitere ultrakurze Laserpulse, zwischen denen sie eine Pause von wenigen Pikosekunden ließen. Dieser Beschuss diente dazu, den Spin in einer einzigen Qubit-Operation gezielt von up nach down oder umgekehrt zu drehen und zu messen – eine Prozedur, die nur knapp 38 Pikosekunden dauerte. Das Verfahren gelang zudem in neun von zehn Fällen, freuen sich die Forscher.

Zwar sei es auch schon früher möglich gewesen, den Spin eines Elektrons in einem Quantenpunkt beliebig zu drehen, kommentiert Manfred Bayer von der Technischen Universiät Dortmund, "die entsprechenden Verfahren verwenden aber Strahlung mit einer wesentlich geringeren Frequenz als das Laserlicht und sind daher etwa 100-mal langsamer". Die neue Methode sei demnach durchaus ein wichtiger weiterer Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer – mindestens aber ein Geschwindigkeitsrekord beim Verarbeiten von Quanteninformation. Qubits, die mit Hilfe von Ionen oder Atomen realisiert würden, ließen sich in der Regel nicht so schnell manipulieren, hätten allerdings dafür den Vorteil einer längeren Dekohärenzzeit.

Auch das neue Verfahren wäre natürlich erst die halbe Miete: Quantencomputer brauchen zum Rechnen nicht nur Ein-Qubit-Operationen, sondern auch so genannte Zwei-Qubit-Operationen, bei denen zwei quantenmechanisch miteinander verschränkte Qubits manipuliert werden. "Die Arbeit von Press macht dazu Vorschläge, zeigt aber noch keine praktikable Lösung auf, eine Zwei-Qubit-Operation zu realisieren", findet Bayer – die nächste Herausforderung wartet also.

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  • Quellen
[1] Greilich, A. et al.: Mode locking of electron spin coherences in singly charged quantum dots. In: Science 313, 341–345, 2006.

[2] Press, D. et al.: Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. In: Nature 456, 218–221, 2008.

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