Dekohärenz im Detail
Auflösung von Überlagerungszuständen in Farbzentren von hexagonalem Bornitrid aufgeschlüsselt.
Klassische Computer speichern Informationen in Bits ab. Quantenbits hingegen können nicht nur in einem Zustand sein, sondern sich in einer Überlagerung aus 0 und 1 befinden. Zwei Qubits können daher gleichzeitig eine Überlagerung aller vier möglichen Kombinationen repräsentieren. Diese Eigenschaft ermöglicht es Quantencomputern, viele Berechnungen parallel durchzuführen, indem sie quantenmechanische Interferenzen nutzen. Dadurch können sie bestimmte Probleme lösen, an denen klassische Computer scheitern.
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Das funktioniert aber nur dann, wenn die Quantenbits eine ausreichend lange Zeit in ihrem Kohärenzzustand bleiben. Und genau an dieser Stelle hapert es heute noch oft. Denn Quantenüberlagerungen in Festkörpern sind extrem empfindlich und werden schon durch kleinste äußere Einflüsse zerstört. „Dieses Phänomen nennt sich Dekohärenz“, erklärt Nahid Talebi vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). „Für die Quanteninformationstechnologie stellt es eine enorme Herausforderung dar.“
Durch Kühlung auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt lässt sich das Ausmaß von Störeinflüssen zwar deutlich reduzieren. Die Überlagerungen werden dadurch erheblich stabiler. Doch diese Methode ist aufwändig und teuer. „Daher suchen viele Arbeitsgruppen weltweit momentan nach Alternativen“, sagt Talebi. „In diesem Zusammenhang ist es wichtig, Auslöser und Geschwindigkeit der Dekohärenz besser zu verstehen.“
Die aktuelle Studie hat nun auf diesem Weg eine bedeutende Hürde genommen. Die Beteiligten haben darin ein vielversprechendes Material untersucht, das hexagonale Bornitrid. Wenn einige Atome in diesem Material ausfallen oder externe Atome auf ihm landen, bilden sich winzige Defekte, die Licht emittieren können, die Farbzentren. Diese lassen sich in eine Überlagerung versetzen und können so bereits bei Raumtemperatur als Quantenbits fungieren. Ihre Kohärenz ist aber sehr instabil.
„Wir haben nun eine Methode entwickelt, mit der wir gezielt die Defekte im Bornitrid in einen Überlagerungszustand bringen und danach erstmals einzeln auslesen können“, erläutert die Wissenschaftlerin. Dazu nutzten die Beteiligten eine eigens entworfene Struktur, die Licht aussendet, wenn sie mit Elektronen wechselwirkt – eine elektronengetriebene Photonenquelle. Mit Hilfe eines Elektronenmikroskops erzeugten sie einen Elektronenstrahl, den sie auf die Defekte im Bornitrid richteten, die sie untersuchen wollten.
„Der Strahl besteht aus einzelnen Elektronen, die etwa im Abstand von einer Nanosekunde emittiert werden“, sagt Talebi, die Mitglied im Forschungsschwerpunkt KiNSIS ist. „Wenn diese auf die Photonenquelle auftreffen, erzeugt jedes Elektron einen Lichtblitz, der lediglich anderthalb Femtosekunden andauert.“ Dennoch reicht diese Zeitspanne, um die Defekte in der unmittelbaren Umgebung des Blitzes in den Überlagerungszustand zu bringen.
„Danach haben wir untersucht, wie lange dieser anhält und welche Einflüsse ihn zerstören“, erläutert die Physikerin. Dazu nutzten die Forscher ein Spektrometer, mit dem sich indirekt feststellen lässt, wie es um ein Quantenbit zu einem bestimmten Zeitpunkt bestellt ist. Durch den Elektronenstrahl des Mikroskops wurden währenddessen weiterhin ultrakurze Lichtblitze erzeugt.
Auf diese Weise wird der Prozess der Dekohärenz gewissermaßen in eine Sequenz von Einzelbildern zerlegt. Wie bei einem Daumenkino wird so sichtbar, wann die Überlagerung zusammenbricht. Bei Raumtemperatur war das bereits nach 200 Femtosekunden der Fall. Verantwortlich dafür sind die Atome in der Umgebung der Defekte: Aufgrund der Umgebungswärme schwingen sie permanent hin und her.
Diese Phononen sind aber nicht überall im Material gleich stark. „Wir wollen die Messergebnisse aus unserer Studie daher nutzen, um die lichtemittierenden Defekte in hexagonalem Bornitrid gezielt zu verbessern“, erklärt Nahid Talebi. „So möchten wir die Defekte gezielt in Bereichen einbringen, in denen die Störungen durch Phononen besonders gering sind. Außerdem sollen die Defekte so weit voneinander entfernt sein, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen.“
Die Studie könnte also zur Entwicklung von Materialien beitragen, die auch bei Raumtemperatur stabile Überlagerungen ausbilden. Bis dahin sei es noch ein weiter Weg, betont die Wissenschaftlerin. „Dennoch zeigen unsere Ergebnisse schon jetzt, dass es sich lohnt, diesen Ansatz zu verfolgen.“ Mit einem besseren Verständnis dafür, wie Quantenzustände kontrolliert und erhalten werden können, ebnen die Forscher den Weg für eine Zukunft, in der Quantencomputer, hochempfindliche Sensoren und unknackbare Verschlüsselungen Realität werden.
U. Kiel / DE
