Stabile Quantenbits – Optimierungsmethode jetzt durch Experimente bestätigt

Eine deutsch-amerikanische Forschergruppe erreichte besonders stabile Quantenbit-Zustände. Die Anregung der Quantenbits wurden dabei durch eine in Dortmund berechnete Pulsfolge optimiert.

Dortmund/Boulder (USA) - Schon seit einiger Zeit können Quantenzustände in Atome gezielt "programmiert" werden. Die Schwierigkeit ist jedoch, diesen Zustand über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Denn die im Atomkern mittels Kontrollpulsen (z.B. Laserpulsen) in einen gewünschten Zustand gebrachten Elektronen interagieren mit anderen Teilchen in ihrem Umfeld, und diese Wechselwirkungen stören das Auslesen des Quantenspeichers zu einem späteren Zeitpunkt.

Der Dortmunder Theoretiker Götz Uhrig rückte die Kontrollpulse in das Zentrum seiner Überlegungen. Seine Idee: Wenn die Pulse nicht wie bislang im gleichen Zeitabstand sondern gezielt abgestimmt auf die Atomkerne gerichtet werden, müssten die programmierten Quantenbits stabiler werden. Im mathematischen Modell konnte der Physiker den gewünschten Effekt erzielen: Die von ihm errechnete Abfolge von Kontrollpulsen führte laut theoretischen Überlegungen zu stabileren Quantenbits. Und auch experimentell wurden nun von Wissenschaftlern aus Boulder (USA) mit seiner Methode durch optimierte Laserpulse Quantenbits erzeugt, die deutlich stabiler als zuvor sind.

Die erfolgreiche deutsch-amerikanische Zusammenarbeit wollen die theoretischen und experimentellen Physiker auf jeden Fall fortsetzen. Uhrig will gemeinsam mit seinen Kollegen in Dortmund an einer weiteren Optimierung der Kontrollpulse arbeiten. Denn die amerikanischen Experimente zeigen zwar eine deutliche Verlängerung der Quantenstabilität, der Theoretiker Uhrig hat aber bereits berechnet, dass das von ihm entwickelte Verfahren noch wesentlich mehr Potential bietet.

Die Wechselwirkung mit dem Umfeld und der daraus folgende Verlust der Stabilität ist eines der größten Hindernisse auf dem Weg zur Realisierung von Quantencomputern, den Computern der Zukunft. Im Gegensatz zu heutigen Computern, die jedes Bit der Reihe nach abarbeiten, werden diese mehrere Rechenoperationen gleichzeitig auszuführen können – und damit erheblich schneller sein. Denn anders als die Bits, die in bisherigen Computer nur die Zustände "0" und "1" kennen, können die Quantenbits, auch Qubits genannt, unendlich viele Zustände einnehmen.

Ein Qubit kann z.B. durch zwei Quantenzustände eines Atoms oder eines Atomkerns repräsentiert werden. Durch die quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen, dem Spin, kann man die logische Zuordnung zu den Bitwerten "0" und "1" analog zum klassischen Fall vornehmen: Der Spin eines Teilchens entspricht vereinfacht einer Drehung um seine eigene Achse. Die beiden Spinzustände "aufwärts" und "abwärts" lassen sich damit im binären System nutzen. Das Neue des Quantensystems ist, dass das Qubit auch als eine Überlagerung aus den Quantenzuständen vorliegen kann. In diesem Fall hat das Qubit gewissermaßen gleichzeitig den Wert "0" und "1" und kann zudem alle Zustände dazwischen einnehmen.