29.10.2018

Störgeschützte Quantenbits

Spin-Qubits mit Quadrupol-Kopplung sind besonders geschützt gegen unerwünschte Einflüsse.

Der Bau des Quanten­computers ist eine technologische Vision, deren Realisierung nicht nur in der Informatik und den Informations­wissenschaften voran­getrieben wird. Der Fort­schritt der praktischen Umsetzung hängt wesentlich auch von neuen Erkenntnissen in der theoretischen Physik ab. „Für den Quanten­computer sind es zum Beispiel Spin-Qubits, mit denen versucht wird, Informations­verarbeitung zu realisieren“, erklärt Guido Burkard, der zu diesem Thema in einer aktiven Kooperation mit der Princeton University forscht. Die theoretischen Erkenntnisse, die zur aktuellen Publikation geführt haben, wurden an der Universität Konstanz, maß­geblich auch durch den Erst­autor der Studie, seinen Doktoranden Maximilian Russ, gewonnen.

Abb.: Schematische Darstellung des neuen Spin-Qubits bestehend aus vier Elektronen (rot) mit ihren Spins (blau) in der umgebenden Halb­leiter­struktur (grau; Bild: M. Russ / G. Burkard)

Im Zentrum der physikalischen Perspektive auf den Quanten­computer stehen vor allem Spin-Qubits und deren natürliche magnetische Eigenschaften. Spins, die in der Quanten­technologie als Speicher nutzbar sind, lassen sich jedoch nur gezielt ansteuern, wenn sie geordnet aufgereiht werden. „Normaler­weise“, beschreibt Guido Burkard weiter, „ werden Magnete mithilfe von Magnet­feldern gesteuert. Da die Teilchen sehr klein und die Magnete sehr schwach sind, ist eine Steuerung hier sehr schwierig.“ Eine Heraus­forderung, der die Physiker mit elektrischen Feldern und einem entsprechenden Verfahren entgegen­wirken, bei dem mehrere Elektronen, in diesem Fall vier, ein Quanten­bit darstellen.

Ein weiteres Problem sind die Elektronen­spins, die relativ empfindlich und fragil sind. Selbst in reinen Fest­körpern aus Silizium reagieren sie auf äußere Störungen mit einem Rauschen elektrischer oder magnetischer Art. Die theoretische Modellierung und Berechnung, wie Quanten­bits vor diesem Rauschen geschützt werden können, stehen im Zentrum der aktuellen Studie, die einen Beitrag zur Grund­lagen­forschung für den Quanten­computer leistet: Gelingt es dieses Rauschen wenn auch nur für eine kurze Zeit abzu­schirmen, sind in diesen Sekunden­bruchteilen – zumindest theoretisch – tausende von Rechen­operationen möglich.

Für die Konstanzer Physiker ist der nächste Schritt, ihre theoretische Konzeption im Experiment zu testen. Dabei steigert sich die Anzahl der einsetz­baren Elektronen erstmals von drei auf vier Stück. Hierfür kann Guido Burkard mit seiner Arbeits­gruppe auf die Unter­stützung der Kooperations­partner in Princeton zurückgreifen. Denn in der Kooperation sind die Rollen so verteilt, dass die theoretische Arbeit in Konstanz geleistet wird und die Kollegen in den USA experimentellen Teil übernehmen.

U. Konstanz / DE

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