Geistesblitz: Die Kunst der Quantenkontrolle

1. November 2011, 18:58
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Roland Brunner erforscht die Grundlagen zukünftiger Computertechnologie

Als Jugendlicher wurde er von der Serie "Raumschiff Enterprise" inspiriert. "Dorthin gehen, wo noch nie ein Mensch zuvor gegangen ist", sagt Roland Brunner lachend. Und das tut er heute tatsächlich. Allerdings erkundet der 36-jährige Physiker nicht etwa die unbekannten Weiten des Weltalls, sondern die Tiefen des Mikrokosmos, die mysteriöse Welt der Quantenmechanik - mit verblüffenden Ergebnissen.

Brunner, geboren 1975 in Bruck an der Mur, studierte Werkstoffwissenschaften an der Montanuniversität in Leoben und promovierte dort anschließend in Halbleiter- und Festkörperphysik. Im Rahmen seiner Dissertation erforschte er das Bewegungsverhalten von Elektronen in Halbleitern unter Magnetfeldeinfluss - ein wichtiges Thema für die Elektronik. Für diese Studien erhielt der Nachwuchswissenschafter 2007 den Karl-Heinz-Seeger-Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft. Danach arbeitete Roland Brunner anderthalb Jahre lang in Japan, finanziert durch die dortige Wissenschafts- und Technologieagentur.

Die wohl wichtigste Studie seiner bisherigen Karriere führte der Experte zusammen mit japanischen und kanadischen Forschern auf dem Gebiet der Quantencomputer-Forschung durch. Die Grundidee dieser Technologie besteht darin, den Informationsfluss statt wie bisher auf das binäre System der Bits, welches nur die zwei unterschiedlichen Zustände 0 und 1 kennt, auf Quantenbits, auch Qubits genannt, umzugestalten. Dadurch stünden nicht nur zwei, sondern auch alle erdenkliche Zwischenzustände als Maßeinheiten zur Verfügung. Die Rechnerleistungen ließen sich so enorm erhöhen.

Roland Brunner, nunmehr am Institut für Physik an der Montanuniversität Leoben tätig, arbeitet mit seinen Kollegen an der Verwirklichung eines Quantencomputers auf Basis von Halbleitertechnologie. Dazu nutzen die Forscher einzelne Elektronen als Informationsträger.

Jedes Elektron hat seinen eigenen Spin, einen energetischen Zustand, dessen Orientierung sich variieren lässt. So kann auch die Information, die ein Elektron trägt, verändert werden, und solche Veränderungen sind die Grundlage von Rechenoperationen. Die einzelnen Elektronen sind im Halbleitermaterial - in diesem Fall ein Konstrukt aus hauchdünnen Aluminium-, Germanium- und Arsenschichten - in winzige "Pools" eingesperrt. Das Manipulieren des Spins geschieht durch Magnetfelder, in denen die Elektronen mittels Mikrowellen verschoben werden. Präzisionsarbeit im unfassbar Kleinen.

Dem Team ist es gelungen, nicht nur die Spinänderung zu kontrollieren, sondern auch die sogenannte Quantenverschränkung. Letztere ist die Beeinflussung des Spins eines Elektrons durch ein benachbartes in einem separaten "Pool".

Die Details wurden neulich im Fachjournal Physical Review Letters publiziert. Eine Kontrolle der Quantenverschränkung wird benötigt, um die Spins von zwei Elektronen und die Wechselwirkung zwischen ihnen gleichzeitig messen zu können, erklärt Roland Brunner. "Ein entscheidender Schritt." Doch er räumt auch ein: "Der Weg bis zum funktionsfähigen Quantencomputer ist noch sehr, sehr weit." (DER STANDARD, Printausgabe, 02.11.2011)

  • Physiker Roland Brunner rechnet mit Elektronen.
    foto: montanuni

    Physiker Roland Brunner rechnet mit Elektronen.

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