Quantencomputer soll bei Raumtemperatur arbeiten

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Forscher des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart haben gezeigt, dass sie verschränkte Quantenbits (Qubits) in einem mit Stickstoff versetzten Diamant gezielt adressieren können.

Dieses Material könne Quantencomputer ermöglichen bei Raumtemperatur zu arbeiten, so die Wissenschaftler. Dafür müsse allerdings die Zahl der verschränkten Qubits von derzeit zwei oder drei deutlich gesteigert werden. “Wir sehen im Moment keinen physikalischen Grund, warum das bei unserem Ansatz nicht funktionieren sollte”, sagte Jörg Wrachtrup, Leiter des 3. Physikalischen Instituts.

Die Wissenschaftler verwenden hochwertige Diamanten, die möglichst aus reinem Kohlenstoff ohne Fremdsubstanzen bestehen. Durch den Einschuss von Stickstoff-Atomen werden beabsichtigte Verunreinigungen erzeugt. Entscheidend sind die Defektknoten in der Gitterstruktur des Diamanten, die bei den Einschüssen entstehen.

Kohlenstoffatome des Isotops C13 haben ein magnetisches Moment und treten mit dem Stickstoffatom in Wechselwirkung. Das erlaubt den Forschern, die C13-Atome gezielt in jene verschränkten Quantenzustände zu bringen, die Quantencomputer möglich machen. Für Systeme aus zwei oder drei Qubits konnten die Forscher im Experiment selbst bei Raumtemperatur Kohärenzzeiten im Millisekundenbereich erreichen. Dies ist für aufwendige Quantenoperationen ausreichend, so die Forscher.

Für einen Quantencomputer, der wirklich komplexe Aufgaben bewältigen soll, müssen allerdings wesentlich größere Zahlen an Qubits miteinander verschränkt werden. Die Forscher sind hoffnungsvoll, ihren Ansatz auf größere Systeme skalieren zu können. “Wir glauben, fünf bis sechs Qubits pro Defektknoten verschränken zu können”, so Wrachtrup.

Zudem werde angestrebt, mehrere Defektstellen im Diamantgitter in Abständen von 50 bis 100 Nanometern zu erzeugen. Mehrere dieser Defektknoten sollen dann miteinander verschränkt werden, um die Gesamtzahl der Qubits zu steigern.

Theoretische Hindernisse sieht Wrachtrup dafür derzeit nicht, betont jedoch, dass sich praktische Herausforderungen beispielsweise in der Materialphysik offenbaren könnten. Bis Quantencomputer bei Raumtemperatur für den praktischen Einsatz verwirklicht werden, könnte es also noch dauern.

Die Ergebnisse des Wissenschaftlerteams, das neben den Stuttgartern auch Forscher aus Japan und den USA umfasst, wurde im Magazin Science veröffentlicht.