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Blitzschnelle Quantenbits

Wie sich Spins in Halbleiter-Quantenpunkten optisch kontrollieren lassen

  • Alex Greilich
  • 09 / 2012 Seite: 57

Richard Feynman schlug bereits 1982 vor, einen Computer zu entwickeln, der quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten folgt. Mittlerweile gibt es eine Fülle von Ansätzen, um die zentralen Bausteine eines Quantencomputers – Qubits – zu erzeugen und zu einer skalierbaren universellen Logik zu koppeln. Quantenpunkte, die jeweils mit einem Elektronspin beladen sind, könnten sich besonders eignen, denn sie versprechen eine lange Kohärenzzeit in Kombina­tion mit optischer Kontrolle.

Das Quantenbit, kurz Qubit, ist der quanten­mechanische Informationsträger. Der Hauptunterschied zum klassischen Bit besteht darin, dass es neben den Werten 0 oder 1 auch einen Super­positionszustand, also eine Linearkombination, dieser beiden Werte annehmen kann. Durch die quantenmechanische Verschränkung können unterschiedliche Qubits nichtlokal miteinander koppeln: Die Manipulation eines Qubits ändert dann unweigerlich den Zustand eines zweiten, damit verschränkten ­Qubits. Dies erlaubt es prinzipiell, eine große Anzahl von Rechenoperationen parallel durchzuführen – die ­eigentliche Stärke eines Quantenrechners.

Während des letzten Jahrzehnts sind enorme Fortschritte gelungen, um Systeme, die sich als Qubits eignen, zu identifizieren. Dazu zählen beispielsweise Polarisationszustände von Photonen, elektronische Übergänge in Atomen, Spinzustände von Kernen, Spins in Halbleiter-Quantenpunkten oder supraleitende Fluss-Qubits. All diese Systeme haben ihre Stärken und Schwächen, die anhand der Kriterien zu beurteilen sind, die ein quantenmechanisches System im Hinblick auf seine Eignung für die Quanteninformationsverarbeitung erfüllen soll. Zusammengefasst bedeutet das: langlebige Kohärenz, Initialisierbarkeit in einen wohldefinierten Anfangszustand, Skalierbarkeit, eine universelle Logik aus Ein- und Zwei-Qubit-Manipulationen und eine verlässliche Korrigier- und Auslesbarkeit. ...

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