Diamant als Quantenspeicher

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Ein Forschungsteam um Johannes Majer vom Atominstitut der Technischen Universität Wien hat jetzt zwei völlig verschiedene Quantensysteme vereint. Das Ergebnis soll den Weg zu praxistauglichen Quanten-Computerchips ebnen.

Quantencomputer gehörten seit Jahren zu den großen Zielen der Wissenschaft. Wenn ein gewöhnlicher Computer eine Liste von Aufgaben zu erledigen hat, arbeitet er sie nacheinander ab. Ein Quantencomputer könnte verschiedene Zustände gleichzeitig einnehmen – und dadurch verschiedene Lösungen eines Problems gleichzeitig ausprobieren. Schon lange suchen die Forscher nach passenden physikalischen Bausteinen für einen Quantencomputer – bisher jedoch ohne den gewünschten Erfolg.

Quantenchip: In der Mitte sind der gewundene Mikrowellenresonator und der dunkle Diamant zu erkennen. Bild: TU Wien
Quantenchip: In der Mitte sind der gewundene Mikrowellenresonator und der dunkle Diamant zu erkennen. Bild: TU Wien

Zwar gab es schon verschiedene Ideen für Systeme, die auf quantenphysikalische Weise Information speichern, doch meist sind sie sehr fragil und instabil. Wenn etwas als Bauelement für einen Computer dienen soll, dann muss es sich sehr rasch umschalten lassen. Gleichzeitig muss es einen quantenphysikalischen Zustand ausreichend lange zuverlässig konservieren können, sodass genug Zeit besteht um damit Berechnungen durchzuführen.

Bei herkömmlichen Computern gibt es einen Prozessor und einen Arbeitsspeicher. Der Prozessor führt schnelle Rechnungen durch, der Speicher soll sich die Ergebnisse möglichst dauerhaft merken. Ähnlich verhalten sich die beiden Quantensysteme zueinander, die nun an der TU Wien auf dem Quantenchip vereint wurden: Schnelle Rechenoperationen werden durch einen Mikrowellenresonator ermöglicht. Sein Quantenzustand wird durch Lichtteilchen im Mikrowellen-Bereich bestimmt. Dieser Mikrowellen-Resonator wird an eine dünne Diamantschicht angekoppelt, in der Quantenzustände gespeichert werden können.

Während man für Schmuck möglichst makellose Diamanten sucht, benötigt man für die Quantenexperimente genau das Gegenteil: Hier sind Diamanten mit Fehlern gefragt. Wenn sich im regelmäßigen Kohlenstoffgitter des Diamanten Stichstoffatome einschleichen, dann wird der Diamant zwar beinahe schwarz, doch dafür kann er dann Quantenzustände stabil speichern. “Wir konnten zeigen, dass sich in unserem Chip Quantenzustände zwischen Mikrowellen und den Stickstoffzentren im Diamanten übertragen lassen”, sagt TU-Assistent Robert Amsüss. Je mehr Stickstoffatome bei dieser Übertragung beteiligt sind, umso stabiler “merkt” sich der Diamant den eingespeicherten Quantenzustand.

Überraschenderweise konnte bei dem Experiment auch gezeigt werden, dass sich sogar im Drehimpuls der Atomkerne Quantenzustände speichern lassen. “Das könnte der erste Schritt zu einem Atomkern-Speicher sein”, mutmaßt Majer. Doch zunächst soll der Diamant-Quantenchip in seiner jetzigen Form weiterentwickelt werden. Die nötigen Teilelemente sind nun vorhanden – jetzt geht es darum, sie für echte, stabile Rechenoperationen zu nützen. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes wurden im Fachjournal ‘Physical Review Letters’ veröffentlicht.