Grundlagenforschung für Quantencomputer

Geschützte Quantenbits

| Redakteur: Tina Billo

Schematische Darstellung des neuen Spin-Qubits, bestehend aus vier Elektronen (rot) mit ihren Spins (blau) in der umgebenden Halbleiterstruktur (grau).
Schematische Darstellung des neuen Spin-Qubits, bestehend aus vier Elektronen (rot) mit ihren Spins (blau) in der umgebenden Halbleiterstruktur (grau). (Bild: © Maximilian Russ / Guido Burkard)

Konstanzer Physiker um Prof. Dr. Guido Burkard entwickeln ein theoretisches Konzept zur Realisierung von Quanten-Informationsverarbeitung. Mit dem Ziel, Spins als Speicher für den Quantenrechner zu nutzen, zeigt die Arbeit Möglichkeiten auf, wie elektrische und magnetische Störungen für kurze Zeit abgeschirmt werden können. Innerhalb der dadurch verfügbaren verlängerten "Kohärenzzeit" könnten viele tausende Rechneroperationen ausgeführt werden.

Der Bau des Quantencomputers ist eine technologische Vision, deren künftige Realisierung nicht nur in der Informatik und den Informationswissenschaften vorangetrieben wird. Der Fortschritt der praktischen Umsetzung hängt wesentlich auch von neuen Erkenntnissen in der theoretischen Physik ab. In jedem Computer oder Kommunikationsgerät sind Informationen in physikalische Systeme eingebettet.

"Für den Quantencomputer sind es zum Beispiel Spin-Qubits, mit denen versucht wird, Informationsverarbeitung zu realisieren", erklärt Professor Dr. Guido Burkard, der zu diesem Thema in einer aktiven Kooperation mit der Princeton University forscht. Die theoretischen Erkenntnisse, die zur aktuellen Publikation in der renommierten Zeitschrift "Physical Review Letters" geführt haben, wurden an der Universität Konstanz, maßgeblich auch durch den Erstautor der Studie, seinen Doktoranden Maximilian Russ, gewonnen.

Spin-Qubits stehen im Zentrum der Forschung

Im Zentrum der physikalischen Perspektive auf den Quantencomputer stehen vor allem Spin-Qubits und deren natürliche magnetische Eigenschaften. Spins, die in der Quantentechnologie als Speicher nutzbar sind, können jedoch nur gezielt angesteuert werden, wenn sie geordnet aufgereiht werden. "Normalerweise", beschreibt Guido Burkard weiter, "werden Magnete – wie bei der Kompassnadel im Erdmagnetfeld – mithilfe von Magnetfeldern gesteuert. Da die Teilchen sehr klein und die Magnete sehr schwach sind, ist eine Steuerung hier sehr schwierig".

Eine Herausforderung, der die Physiker mit elektrischen Feldern und einem entsprechenden Verfahren entgegenwirken, bei dem mehrere Elektronen, in diesem Fall vier, ein Quantenbit darstellen. Ein weiteres Problem sind die Elektronenspins, die relativ empfindlich und fragil sind. Selbst in reinen Festkörpern aus Silicium reagieren sie auf äußere Störungen mit einem Rauschen elektrischer oder magnetischer Art.

Tausende von Rechenoperationen in Sekundenbruchteilen

Die theoretische Modellierung und Berechnung, wie Quantenbits vor diesem Rauschen geschützt werden können, stehen im Zentrum der aktuellen Studie, die somit einen Beitrag zur Grundlagenforschung für den Quantencomputer leistet: Gelingt es dieses Rauschen wenn auch nur für eine kurze Zeit abzuschirmen, sind in diesen Sekundenbruchteilen – zumindest theoretisch – tausende von Rechneroperationen möglich.

Für die Konstanzer Physiker ist der nächste Schritt, ihre theoretische Konzeption im Experiment zu testen. Dabei steigert sich die Anzahl der einsetzbaren Elektronen erstmals von drei auf vier Stück. Hierfür kann Guido Burkard mit seiner Arbeitsgruppe auf die Unterstützung der Kooperationspartner in Princeton zurückgreifen. Denn in der Kooperation sind die Rollen so verteilt, dass die theoretische Arbeit in Konstanz geleistet wird und die Kolleginnen und Kollegen in den USA experimentellen Teil übernehmen.

Nicht nur die eigene Forschungsarbeit sorgt dafür, dass der Forschungsstandort Konstanz im Bereich der Qubits international renommiert ist. Im September dieses Jahres kam die zu diesem Thema weltweit führende wissenschaftliche Community zur"4th School and Conference on Based Quantum Information Processing" in Konstanz zusammen.

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