Einen Schritt weiter

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Ein völlig neuartiger Computer, dessen Leistungsfähigkeit um ein Vielfaches größer ist als die eines herkömmlichen Modells - diese Idee existiert bislang nur in den Köpfen einiger Theoretiker. Physikern der Universität Würzburg ist nun ein entscheidender Schritt in Richtung dieses so genannten Quantencomputers gelungen.

Ein Quantencomputer könnte bestimmte Rechenvorgänge, für die ein herkömmlicher Computer mehrere Tage benötigt, bereits in wenigen Sekunden erledigen. Für den Bau eines solchen "Super-Rechners" fehlte es aber bislang an einer grundsätzlichen Voraussetzung, nämlich der Möglichkeit, die Drehimpulse (Spins) einzelner Elektronen in Halbleiter-Chips manipulieren zu können. Genau hier haben Physiker um Prof. Dr. Laurens Molenkamp von der Universität Würzburg einen voraussichtlich bahnbrechenden Beitrag geleistet: Es gelang ihnen erstmals, den Drehimpuls von Elektronen in genau eine vorgegebene Richtung zu zwingen und die derart polarisierten Elektronen in ein Halbleiter-Bauelement einzubringen. Die Polarisation wurde in einer extrem dünnen Schicht bewerkstelligt, die aus einem magnetischen II-VI-Halbleiter besteht, und verlief erstaunlich effizient: Rund 90 Prozent der Elektronen-Spins zeigten danach in dieselbe Richtung (Nature vom 16. Dezember 1999).

Warum ist die Manipulation des Elektronen-Spins für den Bau eines Quantencomputers so unabdingbar? Selbst die neuesten Prozessoren, welche die modernen Computer antreiben, speichern und verarbeiten Zahlen und Informationen wie alle Prozessoren vor ihnen: elektronisch digital. Eine Informationseinheit, ein Bit, ist entweder "logisch 0" oder "logisch 1". Dieses Bit wird innerhalb des Prozessors in die reale Welt der Elektronik übersetzt, indem ein Kondensator entweder geladen (0) oder ungeladen (1) ist. In einem heutzutage üblichen Prozessor sitzen auf jedem der Millionen von Kondensatoren rund 10 000 Elektronen.

Elektronen besitzen außer der Ladung auch einen Spin; sie sind vergleichbar mit einer Kugel, die sich schnell um die eigene Achse dreht. Dieser Drehimpuls kann nur auf zwei Arten verwirklicht sein: Das Elektron dreht sich, vereinfacht gesagt, entweder links herum oder rechts herum. Die Physiker sprechen hier von "Spin-up" oder "Spin-down". Bei einem Quantencomputer besteht eine Speicherzelle nicht aus 10 000 Elektronen, sondern aus genau einem Elektron. Dieses hat entweder Spin-Up oder Spin-Down. Die dem Quantencomputer zu Grunde liegenden Rechenoperationen werden dann durch ein Koppeln von zwei Quantenzuständen realisiert. Dies würde eine völlig neue Rechner-Logik erlauben, und die Leistungsfähigkeit eines solchen Quantencomputers wäre viel größer als die von herkömmlichen Prozessoren.

Die nun publizierten Ergebnisse eröffnen ein völlig neues Arbeitsgebiet. Schon jetzt sei abzusehen, so Prof. Molenkamp, daß die Würzburger Arbeiten den Anstoß für weltweite Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Spin-Manipulation in Halbleitern geben werden: "Wir haben gezeigt, daß die Grundlagen für einen Quantencomputer funktionieren." Bis ein solcher gebaut werden kann, würden allerdings noch mindestens zehn Jahre vergehen.

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