Quantencomputer sind der aktuelle Traum der Datenverarbeitung, denn sie berechnen komplexe Anwendungen wie beispielsweise die Zerlegung großer Zahlen in Primzahlen deutlich schneller als heutige „klassische“ Computer. Eine der entscheidenden Grundlagen hierfür ist die sogenannte „Verschränkung“. Dabei werden mehrere Quantenbits (Zweizustandssysteme) so miteinander verknüpft, dass die Untersuchung eines einzelnen Quantenbits augenblicklich Informationen über dessen Partner liefert und umgekehrt.
Physikern der Universität Stuttgart ist es nun gemeinsam mit Partnern der Universitäten Ulm (Professor Fedor Jelezko/Institut für Quantenoptik), Bochum und Darmstadt sowie des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt gelungen, ein Quantenregister aus mehreren Quantenbits zu erzeugen, das einerseits Informationen austauschen und andererseits diese Informationen auch für längere Zeit speichern kann. Die Ergebnisse sind ein erster Schritt, um die bisherige Begrenzung des Prozessors in Quantencomputern aufzuheben und wurden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.*)
Die Grundeinheit der heutigen Datenverarbeitung sind die Bit-Zustände „0“ und „1“. Quantenbits oder kurz „Qubits“ können beide Zustände gleichzeitig annehmen und somit wesentlich mehr Information codieren. Das Ziel der Quanteninformationsverarbeitung ist es, einen logischen Schaltkreis aufzubauen und zu nutzen, der quantenmechanische Bits, sogenannte Quantenbits, verwendet. Die beiden größten Herausforderungen auf diesem Gebiet sind die robuste Speicherung quantenmechanischer Informationen und die Limitierung des Prozessors. Grundlage für die Logik der QIV ist die robuste Verschränkung der beteiligten Quantenbits.
Den Stuttgarter Forschern ist es nun erstmals gelungen, ein derartiges Quantenregister in einem Diamant herzustellen. Die verwendeten Quantenbits bestehen aus zwei künstlich erzeugten magnetische Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV Zentren). Jedes dieser NV Zentren weist einen Elektronen- sowie einen Kernspin auf, die beide als ein Quantenbit verwendet werden können. Die Zentren wurden mittels Stickstoff-Ionenimplantation so nahe nebeneinander platziert, dass durch die magnetische Kopplung ihrer Elektronenspins Quanteninformationen austauschbar sind. Zur robusten Speicherung dieser ausgetauschten Informationen können diese auf den Kernspins hinterlegt werden.
Die Kernspins sind weniger anfällig auf Störungen aus ihren Umgebungen, sodass Speicherzeiten in der Größenordnung von Millisekunden erreicht wurden. Die Elektronenspins hingegen werden zur schnellen Berechnung und Übertragung der Informationen, also als eine Art Quanten-Prozessor, verwendet. Das realisierte Quantenregister weist somit bereits erste funktionierende Ansätze eines Quantencomputers auf. Es ist im Prinzip möglich, eine beliebige Anzahl an Zentren nebeneinander zu platzieren, sodass der Traum von einem größeren Quantenbitregister bereits in greifbare Nähe gerückt ist.
Erstmalige Verschränkung bei Raumtemperatur
Abgesehen von der Anwendung in einem Quantencomputer ist das erzeugte Register von grundlegender Bedeutung für Fragen der Quantenmechanik. So realisiert dieses NV Zentrenpaar das erste Mal eine deterministische Verschränkung zweier nicht miteinander wechselwirkender Spins in einem Festkörper (Diamant) bei Raumtemperatur. Normalerweise sind hierfür deutlich niedrigere Temperaturen nötig um negative Einflüsse aus der Umgebung zu unterdrücken.
Die Arbeiten sind eingebettet in das Stuttgart Research Center of Photonic Engineering sowie in das durch die Universitäten Stuttgart und Ulm sowie das Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung gemeinsam getragene Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und -technologie (IQST). Die Implantation der Stickstoffatome in Diamant erfolgte am RUBION, der Zentralen Einrichtung für Ionenstrahlen und Radionuklide der Ruhr-Universität Bochum.
Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176
*) Florian Dolde, Ingmar Jakobi, Boris Naydenov, Nan Zhao, Sébastien Pezzagna, Christina Trautmann, Jan Meijer, Philipp Neumann, Fedor Jelezko and Jörg Wrachtrup: Room-temperature entanglement between single defect spins in diamond, nature physics doi: 10.1038/NPHYS2545