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Künstliche Atome für den Quantencomputer

Bits mit großer Langlebigkeit / Abschirmung aus supraleitendem Material

Von Rainer Scharf

In den Quantencomputer setzt man hohe Erwartungen. Er soll Berechnungen ausführen können, die für herkömmliche Computer viel zu umfangreich wären. Daten rechnet er mit Quantenbits oder Qubits statt mit den normalen Bits. Wie Schrödingers Katze, die zugleich tot und lebendig ist, kann jedes Qubit gleichzeitig in zwei Zuständen sein. Ein Quantencomputer, in dem hundert Qubits gespeichert sind, befände sich in 2100 verschiedenen Zuständen. Damit ginge eine entsprechend große Rechenleistung einher. Allerdings können die Qubits rasch durch Umwelteinflüsse zerstört werden. Doch jetzt haben französische Forscher ein Qubit in einem elektronischen Schaltkreis ungewöhnlich lange gespeichert.

Der Schaltkreis enthielt ein winziges Körnchen aus supraleitendem Material, das zwei verschiedene Quantenzustände annehmen konnte. Das Körnchen ließ sich wie ein Atom anregen und ging dabei von dem einen Quantenzustand in den anderen über. In diesem "künstlichen Atom" wurde das Qubit aufbewahrt und verarbeitet. Mit richtigen Atomen, die in einer aufwendigen Magnetfalle festgehalten wurden, ist dies zwar auch schon anderen Wissenschaftlern gelungen. Will man jedoch einen Quantencomputer industriell fertigen, der mehrere hundert Qubits verarbeiten kann, so wird man ihn voraussichtlich mit künstlichen Atomen bestücken. Denn schon jetzt ließen sich Schaltkreise herstellen, die eine große Zahl solch künstlicher Atome enthalten. Darauf haben Denis Vion und seine Kollegen in Saclay bei Paris hingewiesen. Voraussetzung für einen Quantencomputer wäre, daß die Qubits nicht zerstört würden, bevor die Berechnungen abgeschlossen und die Ergebnisse ausgelesen worden wären.

Die französischen Forscher sind dem Ziel ein gutes Stück näher gekommen. Sie haben das supraleitende Körnchen mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht überzogen und mit zwei ebenfalls supraleitenden Drähten verbunden. In diesen supraleitenden Teilen des Schaltkreises verbanden sich die Elektronen zu sogenannten Cooper-Paaren, die sich widerstandslos umherbewegten. Diese Elektronenpaare konnten durch die isolierende Schicht hindurchtunneln und so von den Drähten in das Körnchen gelangen. Durch ein elektrisches Feld ließ sich genau regeln, wie viele Elektronenpaare sich dort sammelten. Neben diesem Quantenzustand konnte das Körnchen noch einen weiteren annehmen, indem es ein zusätzliches Elektronenpaar aufnahm. Den Forschern gelang es, das Körnchen für mehr als eine Millionstel Sekunde in beiden Zuständen gleichzeitig zu halten ("Science", Bd. 296, S. 886). Diese Zeit reichte aus, mit dem künstlichen Atom zu experimentieren. So konnten die Wissenschaftler den Quantenzustand des künstlichen Atoms mit elektromagnetischen Pulsen in der Weise beeinflussen, wie das beim Betrieb eines Quantencomputers nötig sein wird.

Die Langlebigkeit des Quantenzustands ließ sich nur erreichen, wenn das Körnchen so gut wie möglich von störenden Umwelteinflüssen abgeschirmt worden war. Das war auch der Grund, warum die Forscher supraleitende Materialien verwendeten. Wären das Körnchen und die Drähte aus normalem Metall gewesen, so hätten die Elektronen einzeln und völlig regellos in das Körnchen eindringen können und dabei dessen Quantenzustand sofort zerstört. Wollte man den Quantenzustand des Körnchens bestimmen, mußte allerdings die Abschirmung kurzzeitig aufgehoben werden. Die Forscher ließen einen wohldosierten Strompuls durch den Schaltkreis fließen. Je nachdem, wie viele Elektronenpaare auf dem Körnchen saßen, stellte sich in dem Schaltkreis eine mehr oder weniger große elektrische Spannung ein. Dieses Verfahren hatte den Vorzug, daß der Quantenzustand nur während der Messung gestört wurde.

Die Forscher sind zuversichtlich, daß sie das Qubit auf ihrem künstlichen Atom mindestens zehnmal so lange wie bisher werden speichern können. Zudem wollen sie Schaltkreise mit mehreren künstlichen Atomen herstellen und diese in kompliziertere "verschränkte" Quantenzustände bringen. Der Weg zum Quantencomputer ist zwar noch weit, aber einige zunächst unüberwindlich erscheinende Hindernisse lassen sich möglicherweise schon bald beiseite räumen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 12.06.2002, Nr. 133 / Seite N1

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