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Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht
Konstanz (idw) - Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial
von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits (Grundrecheneinheit des Quantencomputers)
zu übertragen. Physikern der Princeton University (USA), der Universität Konstanz und des Joint Quantum
Institute (Maryland, USA) ist es gelungen, Quantenbits mit dem elektromagnetischen Feld von Licht zu koppeln. Das
Verfahren ermöglicht nicht nur die Übertragung von Informationen zwischen Quantenbits, die nicht direkt
nebeneinanderliegen, sondern könnte auch ein störungsfreieres Auslesen der hochempfindlichen Quantenzustände
ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind im renommierten Wissenschaftsjournal Nature in der Ausgabe vom
14. Februar 2018 veröffentlicht.
Die Physiker erzeugten zunächst Quantenbits aus Silicium, indem sie einzelne Elektronen separierten und in
Siliciumkammern – sogenannten „double quantum dots“ – einschlossen. Der Drehimpuls des Elektrons, der sogenannte
Elektronenspin, dient dabei als Speichermedium der Quanteninformation. Mittels eines Magnetfeldes gelang es den
Forschern daraufhin, die Quanteninformation des Elektronenspins auf Licht (Photonen) zu übertragen. Licht
besteht aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern. Die Forscher koppelten erfolgreich das elektromagnetische
Feld des Lichts mit dem Drehimpuls des Elektrons, wodurch das Elektron seine Quanteninformation an das Licht weitergibt.
Dieser Forschungserfolg eröffnet die Möglichkeit, Quanteninformationen per Licht auf andere Quantenbits
zu übertragen. Die Kopplung von Quantenbits, die nicht direkt benachbart sind und weiter als nur wenige Nanometer
auseinanderliegen, war bis zuletzt eine der großen Herausforderungen der Quantencomputer-Entwicklung.
„Dieses Ergebnis gibt unserer Forschung eine ganz neue Richtung“, schildert Prof. Jason Petta, Ph.D., Professor
für Physik an der Princeton University, und zieht einen Vergleich heran: „Wir verlassen damit eine zweidimensionale
Landschaft, in der nur direkte Nachbarn zueinander in Kontakt stehen können, und betreten eine Welt, in der
jeder mit jedem verbunden ist. Das gibt uns Flexibilität für die Anordnung der Bausteine des Quantencomputers.“
Der theoretische Rahmen des Forschungsprojektes wurde von Konstanzer Seite aus entwickelt, unter Federführung
von Prof. Dr. Guido Burkard und Dr. Mónica Benito an der Professur für Theorie der kondensierten Materie
und Quanteninformation der Universität Konstanz. „Das Ergebnis eröffnet uns den Weg, das Verfahren nun
auch auf komplexere Systeme zu übertragen“, gibt Guido Burkard einen Ausblick und ergänzt: „Eine Stärke
unseres siliciumbasierten Ansatzes ist, dass er den Standards der Halbleiterindustrie entspricht.“
Die Forscher nehmen an, dass ihre Methode ein weiteres Problem des Quantencomputers lösen könnte: Quantenbits
sind hochempfindlich gegenüber Störquellen von außen, zum Beispiel durch Erschütterungen oder
Hitze. Bereits das einfache Auslesen eines Quantenbits kann seinen Quantenzustand zerstören. Der neue Ansatz
aus Princeton, Konstanz und Maryland könnte dieses Problem umgehen, da Licht verwendet wird, um die Quanteninformationen
auszulesen. Anders als bisherige Ausleseverfahren verändert Licht nur minimal die Position und den Zustand
des Elektrons, das die Quanteninformation trägt, und löscht sie dabei nicht.
Originalpublikation:
X. Mi, M. Benito, S. Putz, D. M. Zajac, J. M. Taylor, G. Burkard und J.
R. Petta. A Coherent Spin-Photon Interface in Silicon, Nature Advance Online Publication (AOP), Ausgabe vom 14.
Februar 2018 / DOI: 10.1038/nature25769
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