Quantenspuk in Diamant

Forschern des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart ist es erstmals gelungen, die Gitterbausteine von Diamanten gezielt in verschränkte Quantenzustände zu bringen. Die Ergebnisse legen nahe, dass Diamant ein Material ist, mit dem man einen Quantencomputer bauen kann, der bei Raumtemperatur funktioniert – was gegenwärtig mit keinem anderen Material möglich erscheint. Über ihre Untersuchungen berichten die Forscher in der Zeitschrift Science.

Physiker beschreiben die Welt der Atome durch die Quantenmechanik. Es gehört zu den Eigenheiten dieser Quantenmechanik, dass sie es erlaubt, zwei Objekte miteinander zu verbinden, obwohl diese keine sichtbare Interaktion aufweisen. Einstein hat diese Wechselwirkung „spukhaft“ genannt, da sie unabhängig von der Entfernung der Objekte gilt. Mittlerweile ist die Verschränkung von Quantenobjekten allerdings zweifelsfrei nachgewiesen worden. Spektakuläre Experimente wie beispielsweise die Teleportation (das Kopieren von Eigenschaften eines Quantenteilchens auf ein anderes) beruhen auf dieser Besonderheit der Natur.

Abb.: Ein Prozent der Kohlenstoffatome im Diamant besitzen ein magnetisches Moment, welches als grüner Pfeil dargestellt ist. Diese Atome wären die Quantenbits in einem hypothetischen Quantencomputer aus Diamant. (Foto: Universität Stuttgart)

Allerdings ist dieser Effekt in der Regel äußerst störungsanfällig. Deshalb müssen Physiker für extreme Bedingungen sorgen und zum Beispiel bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten, um verschränkte Quantenzustände zu beobachten. Nicht so in Diamant, wie Forscher der Universität Stuttgart nachweisen konnten. In ihren Experimenten haben die Wissenschaftler zunächst Stickstoff in farblosen Diamant hineingeschossen. Diese Verunreinigung färbt den Diamant leicht pink und lässt sich im Kristall durch seine Fluoreszenz nachweisen. Durch seine sprichwörtliche Härte schirmt das Diamantgitter das implantierte Stickstoffatom ab und erlaubt es, Quanteneffekte, wie beispielsweise die Verschränkung unter Umgebungsbedingungen zu beobachten.

Den Stuttgarter Forschern gelang es dabei, die aus Kohlenstoff-Atomen bestehenden Gitterbausteine des Diamanten gezielt in geeignete Quantenzustände zu bringen. Ein Prozent dieser Kohlenstoffatome trägt nämlich ein magnetisches Moment. Solche Kohlenstoffatome spüren eine Wechselwirkung mit einem implantierten Stickstoffatom in der Nähe. Diese Wechselwirkung nutzen die Wissenschaftler, um die Kohlenstoffatome gezielt adressieren zu können. In ihren Experimenten konnten sie diese Atome miteinander verschränken. Dies ist eine der wesentlichen Voraussetzungen für so genannte Quantencomputer, eine Technologie, die es erlauben soll, superschnelle Computer zu bauen.

Quelle: Universität Stuttgart

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Philipp Neumann, Norikazu Mizuochi, Florian Rempp, Philip Hemmer, Hideyuki Watanabe, Satoshi Yamasaki, Vincent Jacques, Torsten Gaebel, Fedor Jelezko, Jörg Wrachtrup: Multipartite Entanglement Among Single Spins in Diamond, Science 320, 1326 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1157233
• 3. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart:
  http://www.pi3.uni-stuttgart.de