Ein weiterer Schritt in Richtung Quantencomputer

Eines Tages könnten wir superschnelle Computer verwenden, die auf Quantenphysik basieren. Aber wie lesen diese Computer Daten? Das hat gerade ein internationales Team aus Deutschland und den USA gezeigt Es ist möglich, als Kernspins gespeicherte Daten zu lesen. Diese neue Art, den Spin Tausender Elektronen zu lesen, ist nicht das ultimative Ziel: Ein echter Quantencomputer müsste die Spins einzelner Teilchen lesen. Dennoch ist diese neue Methode weitaus besser als frühere Methoden, mit denen nur die Nettospins der Elektronen von Milliarden von Atomen zusammen gemessen werden konnten. Aber weiterlesen...

Diese Experimente wurden durchgeführt von Christoph Böhme, Assistenzprofessor für Physik an der University of Utah, und seine Kollegen am Hahn-Meitner-Institut in Berlin und der Technischen Universität München. Hier ist ein Zitat von Böhme.

„Wir haben ein großes Hindernis für den Bau einer bestimmten Art von Quantencomputern, des Phosphor-und-Silizium-Quantencomputers, gelöst“, sagt Boehme. „Bei diesem Konzept ist das Auslesen der Daten das größte Problem, und wir haben eine neue Möglichkeit zum Auslesen von Daten aufgezeigt.“

Wenn Sie Ihr Gedächtnis auffrischen möchten, erklärt die Pressemitteilung der University of Utah, was Quantencomputer und was Kernspin ist. Hier sind einige Details.

Spin ist schwer zu erklären. Eine vereinfachte Möglichkeit, den Spin zu beschreiben, besteht darin, sich vorzustellen, dass jedes Teilchen – wie ein Elektron oder Proton in einem Atom – enthält einen winzigen Stabmagneten, ähnlich einer Kompassnadel, der entweder nach oben oder unten zeigt, um die Partikel darzustellen drehen. Unten und oben können 0 und 1 in einem spinbasierten Quantencomputer darstellen, in dem ein Qubit gleichzeitig einen Wert von 0 und 1 haben könnte.

Bevor wir fortfahren, finden Sie unten eine Abbildung, die die Probenstruktur zeigt, die für die Experimente und zum Ablesen der Elektronenspins verwendet wurde. „Bevorzugt lokalisieren ³¹P in der Nähe von c-Si/SiO₂ Laut Aussage handelt es sich bei der aktiven Probe um eine 15 nm dicke Epitaxieschicht ³¹P-dotiertes c-Si, abgeschieden auf einer intrinsischen Si-Pufferschicht. Für die elektrische Messung werden Goldkontakte auf der Si-Oberfläche abgeschieden.“ (Quelle: Christoph Böhme und seine Kollegen)

Hier finden Sie weitere Details zu diesen Experimenten.

Die Forscher verwendeten ein etwa 300 Mikrometer dickes Stück Siliziumkristall – etwa dreimal so breit wie ein menschliches Haar – weniger als 3 Zoll lang und etwa einen Zehntel Zoll breit. Der Siliziumkristall war mit Phosphoratomen dotiert. Phosphoratome wurden in Silizium eingebettet, weil zu viele Phosphoratome zu nahe beieinander so stark miteinander interagieren würden, dass sie keine Informationen speichern könnten. Das Konzept besteht darin, dass der Kernspin eines Phosphoratoms ein Qubit an Informationen speichern würde.

Mithilfe der Lithographie druckten die Wissenschaftler zwei elektrische Kontakte aus Gold auf das dotierte Silizium. Dann brachten sie eine hauchdünne Schicht Siliziumdioxid – etwa zwei Milliardstel Meter dick – auf das Silizium zwischen den Goldkontakten. Dadurch wies die Oberfläche des Geräts winzige Stellen auf, an denen die Spins von Phosphoratomen nachgewiesen werden konnten.

Und hier liegt der Kernpunkt der Experimente.

Anschließend wurde das Gerät mit flüssigem Helium auf 452 Grad unter Null Fahrenheit gekühlt. Das führte dazu, dass die meisten Phosphorspins nach unten zeigten. Als nächstes richteten die Forscher ein Magnetfeld und Mikrowellenstrahlung auf die Probe, wodurch die Phosphorspins für einige Milliardstel Sekunden ständig gemeinsam auf und ab flattern. Dadurch schwankte der elektrische Strom auf und ab.

Mit dieser Methode konnten sie den Nettospin von nur einigen Tausend Elektronen und Kernen von Phosphoratomen nahe der Oberfläche des Siliziums „ablesen“. Natürlich muss noch mehr Forschung betrieben werden, bevor man den Spin eines einzelnen Elektrons bestimmen kann.

Diese Forschungsarbeit wurde angenommen von Naturphysik und ist als Vorab-Onlinepublikation unter dem Namen „Electrical detector of coherent“ verfügbar ³¹P-Spin-Quantenzustände“ (19. November 2006). Hier sind zwei Links dazu das Abstrakte und zu das vollständige Papier (PDF-Format, 4 Seiten, 608 KB). Die obige Abbildung wurde aus diesem Artikel entnommen.

Wann werden wir also mit Quantencomputern arbeiten? Nicht vor langer Zeit. Böhme hat eine schöne Formel: „Wenn man die Entwicklung von Quantencomputern mit klassischen Computern vergleichen möchte, stehen wir wahrscheinlich kurz vor der Entdeckung des Abakus.“

Quellen: Pressemitteilung der University of Utah, 19. November 2006; und verschiedene Websites

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