Quantencomputer aus Diamant und Mikrowellen

Während ein normaler Computer mit 0 und 1 arbeitet (Bits), nutzen Quantencomputer Qubits: Sie können den Zustand 0 und 1 gleichzeitig einnehmen und dadurch verschiedene mögliche Lösungen eines Problems gleichzeitig berechnen. Aufgrund der Komplexität und der noch recht hohen Fehlerraten konnten bisher nur Quantencomputer mit wenigen Quibits realisiert werden. Einen wesentlichen Schritt Richtung Quantencomputer könnten nun Diamanten bringen. An der TU Wien werden Mikrowellen mit einem Diamanten gekoppelt, um Quantenzustände zu speichern. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes wurden nun im angesehenen Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Unterschiedliche Quanten-Technologien in einem Chip
Schon lange sucht man nach passenden physikalischen Bausteinen für einen Quantencomputer – bisher jedoch ohne den gewünschten Erfolg. Zwar gab es schon verschiedene Ideen für Systeme, die auf quantenphysikalische Weise Information speichern, doch meist sind sie fragil und instabil. Wenn etwas als Bauelement für einen Computer dienen soll, dann muss es sich rasch umschalten lassen. Gleichzeitig muss es einen quantenphysikalischen Zustand ausreichend lange zuverlässig halten können, sodass genug Zeit besteht, um damit Rechnungen durchzuführen. „Es gibt kein Quantensystem, das alle Anforderungen gleichzeitig erfüllt“, sagt Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien. Mit seinem Forschungsteam koppelte er daher zwei völlig verschiedene Quantensysteme, um die Vorteile beider Seiten nutzen zu können: Mikrowellen und Diamanten.

Lichtteilchen und Diamanten
Auch 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 auf dem Quanten-Chip an der TU Wien vereint wurden. Schnelle Rechenoperationen werden durch einen Mikrowellen-Resonator 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.

Fehler erwünscht
Während man für Schmuck möglichst reine, makellose Diamanten sucht, benötigt man für die Quantenexperimente Diamanten mit Fehlern. Wenn sich im regelmäßigen Kohlenstoff-Gitter des Diamanten Stickstoff-Atome einschleichen, wird der Diamant beinahe schwarz, kann dafür aber Quantenzustände stabil speichern. „Wir konnten zeigen, dass sich in unserem Chip Quanten-Zustände zwischen Mikrowellen und den Stickstoff-Zentren im Diamanten übertragen lassen“, so der 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“, so Johannes Majer. Zunächst soll jedoch der Diamant-Quantenchip in seiner jetzigen Form weiterentwickelt werden. Die nötigen Teilelemente sind vorhanden – jetzt geht es darum, sie für echte, stabile Rechenoperationen zu nützen.

Weltrekordhalter Uni Innsbruck
An der Universität in Innsbruck wird ebenfalls an der Entwicklung von Quantencomputern geforscht. Dort wurde ein Quantenregister, eine kontrollierte Verschränkung von 14 Qubits, geschaffen – das ist bis heute Weltrekord. Kontrollierte Quantenregister könnten das Herzstück zukünftiger Quantencomputer sein. Das Quantenregister wurde erstellt, indem in einer Ionenfalle 14 Kalziumatome gefangen und mit Laserlicht manipuliert wurden. Markus Rennrich, Assistenzprofessor an der Universität Innsbruck, wurde dieses Jahr mit der EU-Forschungs-Nachwuchsförderung ERC Starting Grant bedacht. Er möchte sogenannte Rydberg-Ione mit Laserlicht manipulieren, um die Rechenoperationen zwischen weiter voneinander entfernten Ionen zu beschleunigen.