Verlustfreie Datenverarbeitung bestätigt
Energieverlust durch Quasi-Teilchen an Josephson-Kontakt lässt sich unter bestimmten Voraussetzungen vermeiden.
Wissenschaftler der Universität Yale haben eine experimentelle Schaltung zur Speicherung von Quanteninformationen entwickelt, welche die Speicherdauer von supraleitenden Quantenschaltern um einige Größenordnungen verbessert. Gemeinsam mit dem Physiker Gianluigi Catelani vom Forschungszentrum Jülich bestätigten die Wissenschaftler in diesem Zusammenhang erstmals eine 50 Jahre alte quantenphysikalische Vorhersage.
Abb.: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Josephson-Kontakts, dem Grundbaustein zum Speichern von Quanten-Bits in supraleitenden Schaltkreisen. (Bild: I. Pop / Yale U.)
Das Phänomen der Supraleitung wird nicht nur zum Bau ultrastarker Elektromagnete in Magnetresonanztomografen und Teilchenbeschleunigern genutzt. Supraleitende Schaltkreise haben auch eine enorme Bedeutung für die Entwicklung von Quantencomputern. Entsprechende Systeme könnten beim Lösen bestimmter Aufgaben eines Tages eine deutlich höhere Rechengeschwindigkeit erzielen als herkömmliche Digitalrechner.
Supraleitende Schaltkreise ermöglichen es, Quanten-Bits - kurz Qubits - darzustellen, mit denen Quantenrechner Informationen speichern und verarbeiten. Unter dem Einfluss benachbarter Qubits können diese ihren Wert verändern, indem sie etwa von „0" auf „1" springen oder beide Werte zugleich annehmen. Doch durch das Umschalten verlieren die Qubits Energie, wodurch die Quanteninformation verloren geht.
In dem Experiment konnten die Wissenschaftler nun zeigen, dass ein supraleitendes Qubit immun gegen Verluste ist, die durch sogenannte Quasiteilchen verursacht werden. Diese kollektiven Anregungen mehrerer Teilchen, die sich in einigen Eigenschaften wie Teilchen verhalten, können dem Qubit Energie entziehen.
Die experimentellen Ergebnisse in Yale sind daher ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantenrechner. Mit ihnen bestätigten die Wissenschaftler außerdem erstmals eine theoretische Vorhersage des britischen Physikers und Nobelpreisträgers Brian Josephson. In den 1960er Jahren hatte er vorausgesagt, dass sich der Energieverlust an einem sogenannten Josephson-Kontakt – dem elementaren Bauelement der supraleitenden elektrischen Schaltkreise – unter bestimmten Voraussetzungen vermeiden lässt.
Gianluigi Catelani vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-2) hat mit seinen Berechnungen gezeigt, dass dieser verlustfreie Spezialfall auf einen quantenmechanischen Interferenzeffekt zurückzuführen ist, der sich auch für das Speichern und die Verarbeitung von Qubits nutzen lässt. Dabei löschen sich die an der Kontaktstelle entstehenden Quasiteilchen gegenseitig aus, sodass keine Energie verloren geht.
FZJ / PH
