09.01.2019

Das Beste aus zwei Welten

Hybride Quantenpunkt-Qubits verbinden schnelle Schaltbarkeit mit langer Speicherdauer.

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten von Quanten­bits auszu­tauschen. Qubits sollen die Informations­speicher­einheit von Quanten­computern bilden. Sie lassen sich auf verschiedene Arten realisieren, wobei jede ihre Vorteile hat. Eine Kombination verschiedener Qubit-Arten könnte daher besonders leistungs­fähige Rechner ermöglichen.

Abb.: In 6500 Schubladen organisieren die Bochumer Physiker ihre selbst...
Abb.: In 6500 Schubladen organisieren die Bochumer Physiker ihre selbst hergestellten Halbleiter. Diese Schublade beinhaltet einen Wafer (hinten) mit einer Probe in einem keramischen Träger (vorne). (Bild: Marquard, RUB)

„Quantenbits lassen sich genau wie klassische Bits in verschiedenen technischen Ausführungen realisieren“, erklärt Andreas Wieck, Leiter des Bochumer Lehrstuhl für angewandte Fest­körper­physik. Es gibt sie beispiels­weise in Form von einzelnen frei schwebenden Atomen, in Form von Spin­zuständen oder als transistor-ähnliche Elektronen­pfützen. Sie können aber auch als Quanten­punkte umgesetzt werden; dabei handelt es sich um Elektronen, die in einem begrenzten Bereich eines Halb­leiters eingesperrt werden. „Da die Halb­leiter­technologie bereits weit entwickelt ist, bietet es sich an, diese Platt­form zur Herstellung von Qubits zu nutzen“, sagt der Bochumer Physiker Arne Ludwig.

Zwei Arten von Quantenpunkten gelten als besonders leistungsfähig: die LD-Qubits, benannt nach ihren Erfindern Daniel Loss und David DiVicenzo, und die Single-Triplett-Qubits, kurz auch ST-Qubits genannt. Beide haben unterschiedliche Vor- und Nach­teile: Mit LD-Qubits lassen sich Informationen nur langsam schreiben und auslesen; dafür können sie Informationen über eine lange Zeit speichern. ST-Qubits sind quasi das Gegenteil: Sie lassen sich schnell initialisieren, können also schnell Informationen ein­speichern, und lassen sich auch schnell wieder auslesen. Allerdings können sie Informationen nicht lange stabil speichern.

Um die Vorteile beider Quantenbit-Typen nutzen zu können, kombinierten die Forscher sie in einem Hybrid-System. Die Halb­leiter dafür stellte das Team der Ruhr-Universität Bochum her. Die Gruppe zeigte, dass sich Informationen zwischen den beiden Qubit-Arten durch das quanten­physikalische Phänomen der Verschränkung über­tragen lassen – und zwar in nur 5,5 Nanosekunden. So konnte die im LD-Qubit gespeicherte Information durch das schnelle ST-Qubit ausgelesen werden. „Das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer leistungs­fähigen Quanten­computer­architektur, die Daten schnell verarbeiten kann“, resümiert Andreas Wieck.

RUB / DE

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