Veredelter Quantencomputer

      Veredelter Quantencomputer

      Veredelter Quantencomputer

      Am 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist es gelungen, verschränkte Quantenbits (Qubits) in einem mit Stickstoff versetzten Diamanten gezielt zu adressieren. Klingt kompliziert - hat aber einen äußerst einleuchtenden Vorteil. Mit dem neuen Verfahren sind Quantencomputer denkbar, die bei Raumtemperatur arbeiten. Das war bislang undenkbar.

      Der neue Ansatz weckt große Hoffnung bei den Forschern. "Wir sehen im Moment keinen physikalischen Grund, warum das bei unserem Ansatz nicht funktionieren sollte.", erklärt Institutsleiter Jörg Wrachtrup in Bezug auf die Leistungssteigerung.

      Theoretische Hindernisse sieht der Wissenschaftler derzeit nicht. Mit praktischen Herausforderungen in Bereichen wie der Materialphysik rechnet man jedoch durchaus.

      Und so wird es wohl noch ein paar Jahrzehnte dauern, bis der erste Quantencomputer den altgedienten Rechenknecht in der Zimmerecke ersetzen wird. Vielleicht gibt es ihn dann auch gleich im Bundle mit Duke Nukem Forever und Diablo 3.

      Quantencomputer

      Mikrocontroller & ProzessorenQuantencomputer bei Raumtemperatur
      Stickstoff-Verunreinigungen ermöglichen Adressieren von Quantenbits in Diamanten

      Forscher des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart haben gezeigt, dass sie verschränkte Quantenbits (Qubits) in einem mit Stickstoff versetzten Diamant gezielt adressieren können. Das Material stellt Quantencomputer in Aussicht, die bei Raumtemperatur arbeiten, so die Wissenschaftler.

      Um für praktische Aufgaben geeignete Quantencomputer zu ermöglichen, muss allerdings die Zahl der verschränkten Qubits von derzeit zwei oder drei deutlich gesteigert werden. „Wir sehen im Moment keinen physikalischen Grund, warum das bei unserem Ansatz nicht funktionieren sollte“, gibt sich Institutsleiter Jörg Wrachtrup gegenüber pressetext vorsichtig optimistisch.

      Kohärenzzeiten im Millisekundenbereich

      Die Wissenschaftler verwenden hochwertige Diamanten, die möglichst rein aus Kohlenstoff ohne Fremdsubstanzen bestehen. Durch den Einschuss von Stickstoff-Atomen werden beabsichtigte Verunreinigungen erzeugt, die Farbe des Diamanten ändert sich zu pink. Für die Forscher entscheidend sind allerdings die Defektknoten in der Gitterstruktur des Diamanten, die bei den Einschüssen entstehen. Kohlenstoffatome des Isotops 13C, das rund ein Prozent des natürlichen Kohlenstoffs ausmacht, haben ein magnetisches Moment und wechselwirken mit dem Stickstoffatom. Das erlaubt den Forschern, die 13C-Atome gezielt in jene verschränkten Quantenzustände bringen, die Quantencomputer möglich machen. Für Systeme aus zwei oder drei Qubits konnten die Forscher im Experiment selbst bei Raumtemperatur Kohärenzzeiten im ms-Bereich erreichen. Dies ist, so die Forscher, für aufwendige Quantenoperationen ausreichend.

      Langer Weg bis zur Praxistauglichkeit

      Für einen Quantencomputer, der wirklich komplexe Aufgaben bewältigen soll, müssen allerdings wesentlich größere Zahlen an Qubits miteinander verschränkt werden. Die Forscher sind hoffnungsvoll, ihren Ansatz auf größere Systeme skalieren zu können. „Wir glauben, fünf bis sechs Qubits pro Defektknoten verschränken zu können“, gibt Wrachtrup gegenüber pressetext an. Weiterhin werde angestrebt, gezielt mehrere Defektstellen im Diamantgitter in Abständen von 50 bis 100 nm zu erzeugen. Mehrere dieser Defektknoten sollen dann miteinander verschränkt werden, um die Gesamtzahl der Qubits zu steigern, so Wrachtrup. Theoretische Hindernisse sieht er dafür derzeit nicht, betont jedoch, dass sich praktische Herausforderungen beispielsweise in der Materialphysik offenbaren könnten. Bis Quantencomputer bei Raumtemperatur für den praktischen Einsatz verwirklicht werden, könnte es also noch dauern.

      Diamant erlaubt Quantencomputer bei Raumtemperatur

      Diamant erlaubt Quantencomputer bei Raumtemperatur

      Stickstoff-Verunreinigungen ermöglichen Adressieren von Quantenbits
      Forscher des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart haben gezeigt, dass sie verschränkte Quantenbits (Qubits) in einem mit Stickstoff versetzten Diamant gezielt adressieren können. Das Material stellt Quantencomputer in Aussicht, die bei Raumtemperatur arbeiten, so die Wissenschaftler. Um für praktische Aufgaben geeignete Quantencomputer zu ermöglichen, muss allerdings die Zahl der verschränkten Qubits von derzeit zwei oder drei deutlich gesteigert werden. "Wir sehen im Moment keinen physikalischen Grund, warum das bei unserem Ansatz nicht funktionieren sollte", gibt sich Institutsleiter Jörg Wrachtrup gegenüber pressetext vorsichtig optimistisch.

      Grundlage

      Die Wissenschaftler verwenden hochwertige Diamanten, die möglichst rein aus Kohlenstoff ohne Fremdsubstanzen bestehen. Durch den Einschuss von Stickstoff-Atomen werden beabsichtigte Verunreinigungen erzeugt, die Farbe des Diamanten ändert sich zu pink. Für die Forscher entscheidend sind allerdings die Defektknoten in der Gitterstruktur des Diamanten, die bei den Einschüssen entstehen. Kohlenstoffatome des Isotops C13, das rund ein Prozent des natürlichen Kohlenstoffs ausmacht, haben ein magnetisches Moment und wechselwirken mit dem Stickstoffatom. Das erlaubt den Forschern, die C13-Atome gezielt in jene verschränkten Quantenzustände bringen, die Quantencomputer möglich machen. Für Systeme aus zwei oder drei Qubits konnten die Forscher im Experiment selbst bei Raumtemperatur Kohärenzzeiten im Millisekundenbereich erreichen. Dies ist, so die Forscher, für aufwendige Quantenoperationen ausreichend.

      Aufgabe

      Für einen Quantencomputer, der wirklich komplexe Aufgaben bewältigen soll, müssen allerdings wesentlich größere Zahlen an Qubits miteinander verschränkt werden. Die Forscher sind hoffnungsvoll, ihren Ansatz auf größere Systeme skalieren zu können. "Wir glauben, fünf bis sechs Qubits pro Defektknoten verschränken zu können", gibt Wrachtrup gegenüber pressetext an. Weiters werde angestrebt, gezielt mehrere Defektstellen im Diamantgitter in Abständen von 50 bis 100 Nanometern zu erzeugen. Mehrere dieser Defektknoten sollen dann miteinander verschränkt werden, um die Gesamtzahl der Qubits zu steigern, so Wrachtrup. Theoretische Hindernisse sieht er dafür derzeit nicht, betont jedoch, dass sich praktische Herausforderungen beispielsweise in der Materialphysik offenbaren könnten. Bis Quantencomputer bei Raumtemperatur für den praktischen Einsatz verwirklicht werden, könnte es also noch dauern.

      Kombination

      Die Ergebnisse des Wissenschaftlerteams, das neben den Stuttgartern auch Forscher aus Japan und den USA umfasst, wurden am Freitag im Magazin Science veröffentlicht.

      Schneller rechnen mit Diamanten

      Schneller rechnen mit Diamanten

      Für rasante Spintronik-Prozessoren der Zukunft finden Forscher erstaunlich schnelle Wechsel von Quantenzuständen

      Santa Barbara (USA) - Was heute der Halbleiter Silizium für die Chipindustrie ist, könnten morgen Nanoröhrchen, Quantenpunkte, Supraleiter oder eingefangene Ionen sein. Denn in all diesen potenziellen Silizium-Nachfolgern lässt sich mit der Ausrichtung einzelner Elektronen, den Spins, rechnen. Und das womöglich viel flotter und auf viel kleinerem Raum als in den besten Prozessoren heute. Amerikanische Physiker setzen nun auf Diamanten für den Spintronik-Chip der Zukunft. Denn wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, konnten sie mit synthetisch hergestellten Schichten dieses Edelsteins unerwartet schnelle Spin-Schaltprozesse kontrollieren.

      David Awschalom und seine Kollegen von der University of California in Santa Barbara griffen dazu nicht zu reinen Diamanten oder gar wertvollen Edelsteinen mit mehreren Karat. Sie bevorzugten hauchdünne Diamant-Schichten, in denen hier und da einzelne Stickstoffatome eingebaut waren. Erst durch diese Verunreinigungen entsteht ein Werkstoff, in dem sich Elektronen-Spins gezielt steuern lassen. Genau das gelang der Gruppe um Awschalom mit hochfrequenten Mikrowellenpulsen. So konnten sie einen Spin in weniger als einer Milliardstel Sekunde kontrolliert zum Umklappen bringen. Genau dieses Umklappen von einem Quantenzustand in den anderen bildet die Basis für die Unterscheidung der digitalen Wert "0" und "1".

      Im Unterschied zu kontrollierten Spins in Supraleitern oder so genannten Quantenpunkten können in diesen Diamant-Schichten die Spins sogar bei Raumtemperatur kontrolliert werden. Damit haben sie eine wesentliche Voraussetzung für ein Marktprodukt erfüllt. Bis zum ersten Spintronik-Prozessor werden allerdings dennoch viele Jahre vergehen. Davon, dass sie kommen und Silizium ablösen werden, ist Awschalom aber überzeugt: "Mit halbleitenden Spintronik-Modulen sind wir jetzt da, wo der Transistor in den 1950er Jahren war. Und in einigen Jahren könnten mit ihnen Größe, Kapazität und Geschwindigkeit von Computern radikal verändert werden." Darüber hinaus hält er es für möglich, dass aus geeigneten Spinsystemen sogar die Hardware für noch leistungsfähigere Quantencomputer entstehen könnte.

      Schneller rechnen mit Diamanten

      Schneller rechnen mit Diamanten

      Was heute der Halbleiter Silizium für die Chipindustrie ist, könnten morgen Nanoröhrchen, Quantenpunkte, Supraleiter oder eingefangene Ionen sein. Denn in all diesen potenziellen Silizium-Nachfolgern lässt sich mit der Ausrichtung einzelner Elektronen, den Spins, rechnen. Und das womöglich viel flotter und auf viel kleinerem Raum als heute. US-Physiker von der University of California in Santa Barbara setzen nun auf Diamant für den Spintronik-Chip der Zukunft. Denn, wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, sie konnten mit synthetisch hergestellten Schichten dieses Edelsteins unerwartet schnelle Spin-Schaltprozesse kontrollieren.

      Quantencomputer mit Diamant

      Quantencomputer mit Diamant

      Ein entscheidender Schritt in Richtung Quantencomputer ist geglückt: Forschern gelang es erstmals, zwei Stickstoffatome in einem Abstand von nur wenigen Nanometern so zu platzieren, dass über eine Laseranregung eine quantenmechanische Kopplung entsteht. Der Clou daran: Nur im Farbzentrum eines Diamanten funktioniert dies genau, zuverlässig und bei Raumtemperatur, schreiben die Forscher in "Nature Physics". Da es im Diamanten keine "Diffusion" gibt, wanderten die Atome nicht hin und her.

      Ein entscheidender Schritt in Richtung Quantencomputer ist geglückt: Forschern gelang es erstmals, zwei Stickstoffatome in einem Abstand von nur wenigen Nanometern so zu platzieren, dass über eine Laseranregung eine quantenmechanische Kopplung entsteht. Der Clou daran: Nur im Farbzentrum eines Diamanten funktioniert dies genau, zuverlässig und bei Raumtemperatur, schreiben die Forscher in "Nature Physics". Da es im Diamanten keine "Diffusion" gibt, wanderten die Atome nicht hin und her. Mit einem Laser gezielt beschossen, reagierten die beiden Stickstoffzentren, und es komme zu einer manipulierbaren Überlagerung der Drehbewegungen der Elektronen. Dass die Kopplung der Atome bei Raumtemperatur funktioniert, ist entscheidend für den Aufbau eines Quantencomputers. DW