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Dienstag, 19.09.2017
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Forscher machen Quantenbits langlebiger

Verschränkung wird durch Einbindung in Mikrowellen-Feld zehnfach stabiler

Quantencomputer-Fortschritt: Australische Forscher haben eine Hürde auf dem Weg zum Quantencomputer niedriger gemacht: Sie haben Quantenbits erzeugt, die zehnmal länger verschränkt bleiben als gängige Varianten. Erreicht haben sie dies durch die Einbindung der Quantenbit-Atome in ein starkes, schnell oszillierendes Mikrowellen-Feld. Dies macht die Qubits deutlich unempfindlicher gegenüber Störeinflüssen, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin "Nature Nanotechnology" berichten.
Das Quantenbit besteht aus einem in Silizium eingebettetern Phosphor-Atom, dessen Spin in einem Mikrowellen-Feld kontrolliert wird.

Das Quantenbit besteht aus einem in Silizium eingebettetern Phosphor-Atom, dessen Spin in einem Mikrowellen-Feld kontrolliert wird.

Quantencomputer sollen künftig enorme Datenmengen parallel verarbeiten können – dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Überlagerung und Verschränkung. Tatsächlich haben Forscher bereits logische Gatter aus Qubits konstruiert und sogar programmierbare Quantencomputer erschaffen.

Problem der Stabilität


Bis Quantencomputer wirklich einsatzfähig sind, muss jedoch ein Grundproblem überwunden werden: "Die größte Hürde bei der Nutzung von Quantenobjekten als Computer ist es, ihre Verschränkung lange genug aufrechtzuerhalten, um nützliche Rechenoperationen durchführen zu können", erklärt Seniorautor Andrea Morello von der University of New South Wales. Bisher hält dieser Zustand nur Sekundenbruchteile an.

Um die Stabilität der Quantenbits zu verbessern, haben Morello und seine Kollegen nun ein Qubit erzeugt, das durch seine Einbindung in ein elektromagnetisches Feld länger verschränkt bleibt als "nackte" Qubits. Dafür nutzten sie ein in Silizium eingebettetes Phosphor-Atom. In diesem System kann sowohl der Spin des Atoms als auch der seines äußersten Elektrons als "Null" oder "Eins" verwendet werden.


Andrea Morello und Arne Laucht an ihrer Versuchsapparatur

Andrea Morello und Arne Laucht an ihrer Versuchsapparatur

Eingebunden in Mikrowellen-Feld


In ihrer Quantencomputer-Variante setzten sie dieses System einem starken, ständig oszillierenden Mikrowellen-Feld aus. Das eigentliche Qubit war nun nicht mehr der isolierte Spin von Atom oder Elektron, sondern die Orientierung des Elektronenspins in Bezug auf das elektromagnetische Feld, wie die Forscher erklären.

Der große Vorteil dabei: Das in das Mikrowellen-Feld eingebettete Qubit reagiert weniger sensibel auf äußere Störungen. Denn das in hoher Frequenz oszillierende Feld schirmt es gegen Störungen in anderen Frequenzbereichen ab – ähnlich wie ein weißes Rauschen Störgeräusche neutralisiert. Dadurch lassen sich zwei solche Quantenbits länger im Zustand der Verschränkung halten.

Verschränkung hält zehnmal länger


Im Experiment erzielten die Wissenschaftler eine Verschränkungsdauer von mindestens 2,4 Millisekunden. Das sei zehnfach länger als bei "nackten" Standard-Quantenbits, so Morello und seine Kollegen. "Dieses Quantenbit ist vielseitiger und langlebiger als das Elektron allein und das könnte es erlauben, verlässlichere Quantencomputer zu bauen", sagt Erstautor Arne Laucht von der University of New South Wales.

Die Forscher erklären, wie sie das Quantenbit langlebiger machten


Die Forscher sind Teil eines nationalen australischen Projekts, das den ersten Prototypen eines Quantencomputer-Schaltkreises auf Silizium-Basis entwickeln soll. Weil die Silizium-Bauteile dafür mit gängiger Technik fabriziert werden könne, soll dies eine einfache und schnelle Konstruktion erster Quantencomputer ermöglichen. (Nature Nanotechnology, 2016; doi: 10.1038/nnano.2016.178)
(University of New South Wales, 18.10.2016 - NPO)
 
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