Quantenbit elektrisch adressiert

31. Oktober 2010, 17:23
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Hamburger Physiker knacken eines der Probleme auf dem Weg zum Quantencomputer

Hamburg - Wie sich einzelne Quantenbits in einem Halbleiter im Labor präzise elektrisch adressieren lassen, beschreibt eine Forschungsgruppe vom Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg in der aktuellen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift "Nature". Bisher sei das Auslesen und Schreiben in Halbleiter dotierter Quantenbits nur unter sehr speziellen Bedingungen mit optischen Methoden möglich gewesen. Mit dem neuen Verfahren könnten hingegen Kopplungen zwischen benachbarten Quantenbits untersucht werden - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Zeitalter der Quanten-Informationstechnologie, gab die Universität Hamburg bekannt. Diese Kopplungen seien nämlich letztendlich für die Funktion der zukünftigen Quantencomputer von entscheidender Bedeutung.

Hintergrund

Sämtliche digitalen Geräte unseres derzeitigen Informationszeitalters basieren auf Rechenoperationen, die von Mikroprozessoren durchgeführt werden. Damit die Prozessoren rechnen können, werden die Zahlen in Ansammlungen so genannter Bits gespeichert und weiterverarbeitet. Das Bit, ein Zustand der entweder "1" oder "0" sein kann, ist also der Grundbaustein der Informationstechnologie. Ein Bit wird durch Aufladung mit Elektronen gespeichert: Ist der Transistor mit Elektronen geladen, entspricht dies der "1", ist er ungeladen, entspricht dies der "0".

Heutzutage sind die Prozessoren im Wesentlichen aus Unmengen kleinster Transistoren aufgebaut, die auf Silizium-Wafern aufgebracht sind. Mit der zunehmenden Miniaturisierung werden immer kleinere und schnellere Prozessoren erforderlich, welche die Flut der Daten auf kleinstem Raum in Sekundenbruchteilen verarbeiten können. Die realisierbare Dichte der Transistoren hat eine Grenze - diese ist der Universität zufolge in wenigen Jahren erreicht. Dann sei ein Paradigmenwechsel vonnöten, um die wirtschaftliche Entwicklung aufrechtzuerhalten.

Die Idee

Die Idee ist, künftig nicht mehr die elektrische Ladung der Elektronen auszunutzen, sondern deren zweite Eigenschaft, die mit der Funktion einer Kompassnadel vergleichbar ist: Die Elektronen rotieren um ihre eigene Achse, sowohl links als auch rechts herum. Dabei erzeugen sie ein magnetisches Moment, welches nach unten oder oben zeigen kann. In der Ausrichtung dieses "Spins" könnte man also bereits in einem einzelnen Elektron die Information speichern, die einem Bit entspricht. Aufgrund der kleinen räumlichen Ausdehnung des Elektrons, welches in Silizium zum Beispiel an ein einzelnes Dotieratom gebunden sein könnte, wäre prinzipiell eine immens hohe Dichte der Bits realisierbar. Da das Wechseln des Zustands eines solchen Bits von "0" in "1" keinen Ladungstransport erfordert - das Elektron bleibt ja auf seinem Platz-, wäre die Verarbeitung dieser Bits in Prozessoren zudem durch einen deutlich geringeren Energieverbrauch begleitet.

Solche Bits werden Quantenbits genannt. Sie können zudem nicht nur im Zustand "1" oder "0" sein, sondern auch in einer Mischung aus beiden Zuständen - ein Quantenbit kann also mehr Information speichern als ein herkömmliches Ladungs-Bit. Ferner erlaube dies prinzipiell auch Operationen durchzuführen, die sich genau diese Mischzustände zunutze machen, um wesentlich schneller und effizienter zu rechnen.

Ein Schritt

Auf dem Weg zum Quantencomputer sind allerdings viele Probleme zu lösen. Das Team um Jens Wiebe und Roland Wiesendanger hat jenes des elektrischen Auslesens des Zustands einzelner Quantenbits geknackt: Die Forscher untersuchten einen Indiumantimonid-Wafer, in dessen Oberfläche einzelne Eisenatome dotiert wurden (siehe Abbildung links). Mit einem atomar feinen magnetischen Lesekopf war es ihnen möglich, die Oberfläche abzutasten und jedes einzelne Eisenatom zu adressieren.

Wie die Untersuchung ergab, bilden die Elektronen, die an eines dieser Eisenatome gebunden sind, ein Quantenbit mit drei möglichen Einstellungen ("1", "0" und "-1"). Mit dem Lesekopf konnte ausgelesen werden, in welchem seiner drei Zustände sich das Quantenbit bevorzugt aufhielt. Zudem konnte sein Zustand auch manipuliert werden, d.h. es war gewissermaßen möglich es mit Information zu "beschreiben". (red)

  • Rastertunnelmikroskopische Abbildung von fünf Quantenbits (Eisenatome, blau), die in die Oberfläche von Indiumantimonid (gelb) dotiert sind
    bild: jens wiebe, spm-gruppe von prof. roland wiesendanger, universität hamburg

    Rastertunnelmikroskopische Abbildung von fünf Quantenbits (Eisenatome, blau), die in die Oberfläche von Indiumantimonid (gelb) dotiert sind

  • Schematische Darstellung des Adressierens
    bild: jens wiebe, spm-gruppe von prof. roland wiesendanger, universität hamburg

    Schematische Darstellung des Adressierens

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