Auslesen von Spinzuständen für Quantencomputer

  • 04. August 2011

Neue Methode erlaubt individuelle Bestimmung von miteinander gekoppelten Quantenbits.

Delft (Niederlande) - Die kleinste Recheneinheit für einen extrem leistungsfähigen Quantencomputer ist ein sogenanntes Quantenbit, kurz Qubit. Um aus diesem nach einem parallel ablaufenden Rechenprozess das Ergebnis auch auslesen zu können, entwickelte nun ein Team aus schweizerischen und niederländischen Physikern eine neue Messmethode. Sie schafften es, die Spinzustände von zwei Qubits völlig unabhängig voneinander zu bestimmen, obwohl diese kleinsten Speichereinheiten quantenmechanisch miteinander gekoppelt waren.

Zukunftsvision für einen Spin-basierten Quantencomputer. Die roten Kreise geben die einzelnen Elektronspins wieder, die über die winzigen Metallelektroden kontrolliert und ausgelesen werden könnten.

Abb.: Zukunftsvision für einen Spin-basierten Quantencomputer. Die roten Kreise geben die einzelnen Elektronspins wieder, die über die winzigen Metallelektroden kontrolliert und ausgelesen werden könnten. (Bild: TU Delft)

"Die Messung von gekoppelten Quantenzuständen spielt eine zentrale Rolle bei der Berechnung von  Quanteninformationen", schreiben Katja Nowack von der Technischen Universität Delft und ihre Kollegen von der Technischen Hochschule in Zürich. Doch das gestaltete sich bisher sehr schwierig: Das Auslesen eines solchen Quantenzustands störte zwangsläufig den Informationsinhalt in gekoppelten Qubits. Mit elektrischen Pulsen konnten die Forscher diese Hürde für ein Zwei-Qubit-System nun überwinden.

Für ihren rudimentären Quantencomputer setzten die Forscher eine nanostrukturierte Schicht aus Gallium- und Aluminiumarsenid auf eine Oberfläche aus Titan und Gold. Dazwischen können zwei einzelne Elektronen in einem zweidimensionalen Quantengas eingefangen und kontrolliert werden. Der Spin dieser Elektronen, up und down, bildet die Grundlage für die digitalen Basiswerte "0" und "1". Unter einem starken Magnetfeld von 6,5 Tesla gelang es den Forschern nun, die Ausrichtung dieser Spinzustände sehr schonend mit einem schwachen Spannungspuls zu bestimmen. Das klappte so gut, dass der Spinzustand des zweiten Elektrons nicht beeinflusst wurde.

Dabei verblieb ein Spin-up-Elektron in seiner Qubit-Falle und konnte wegen der geringen Energie des Auslesepuls nicht auf einen energetisch höheren, unbesetzten Zustand springen. Ein Spin-down-Elektron dagegen entwicht nach der Messung über einen Tunnelprozess. Wegen dieses Verhaltens kann der Zustand eines Qubits nur genau ein Mal ausgelesen werden. Von großem Vorteil zeigte sich jedoch, dass der Spinzustand des benachbarten Elektrons in den meisten Fällen nicht durch die Messung beeinflusst wurde. Die Qualität dieses Leseprozesses, die für eine Zuverlässigkeit der Daten möglichst nah an 100 Prozent reichen sollte, schwankte zwischen 77 und 95,7 Prozent.

Doch mit empfindlicheren Methoden zur Messung elektrischer Ladungen und geringeren Magnetfeldern hoffen die Forscher, diesen Wert noch verbessern zu können. Zudem sehen sie keinen Grund, warum diese Methode nicht auf zahlreiche benachbarte Qubits erweitert werden könnte. Doch obwohl diese elegante Auslesetechnik von Qubits einen wichtigen Fortschritt darstellt, ist es bis zu einem nutzbaren Quantencomputer, der beispielsweise Verschlüsselungscodes extrem schnell knacken könnte, noch ein sehr weiter Weg.

Jan Oliver Löfken

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