News: Doppelpack
Bislang fanden die größten Erfolge auf dem Weg zum Quantencomputer in ominösen Atomfallen, komplizierten optischen Aufbauten oder im Wechselfeld einer Kernspinresonanz-Apparatur statt. Doch die herkömmliche Elektronik legt nach und beweist, dass es auch "einfacher" geht.
© (Ausschnitt)
Gerade mal eine gute Woche ist es her, da verkündete Gordon Moore in seinem Eröffnungsvortrag auf der International Solid-State Circuits Conference, dass in zehn Jahren Schluss sei mit der jahrzehntelang andauernden exponentiellen Leistungssteigerung von Computerchips. Bis dato soll sich die Transistorzahl pro Chip wie gehabt noch alle 18 Monate verdoppeln, ganz so, wie es der Mitbegründer der Firma Intel bereits in den sechziger Jahren festgestellt hatte.
Doch was kommt dann? Müssen Mircosoft und Co auf einmal lernen, mit den vorhandenen Ressourcen langfristig auszukommen? Manche Visionäre setzen bereits auf den Quantencomputer, doch angesichts von mageren sieben Quanten-Bits, die Wissenschaftler zur Zeit mit einem Riesenaufwand gerade eben beherrschen, erscheint diese Technik eher noch wie ein Wunschtraum.
Aber vielleicht geht es ja doch auch einfacher. Yuri Pashkin und seine Kollegen vom Institute of Physical and Chemical Research im japanischen Wako stellten nun ein quantenmechanisches System vor, das sich zumindest leicht mit herkömmlicher Halbleitertechnik realisieren lässt: ein simpler Schaltkreis aus Aluminiumleiterbahnen, bei dem lediglich an einigen Stellen ein wenig mit einem supraleitenden Material nachgebessert wurde.
Aber gerade diese Supraleiter sind es, die dem System die Qubits für die digitale Information spendieren – gespeichert in den Ladungsträgern des Materials. Die Ladungsträger eines Supraleiters sind die Cooperpaare – Elektronen, die zu zweit durch das Material ziehen. Und jener Zusammenhalt sorgt auch dafür, dass die quantenmechanische Information nicht so schnell verloren geht. Denn Störungen mit der Umgebung lösen sonst häufig den sorgsam präparierten, fragilen quantenmechanischen Zustand auf. Dieses Phänomen der Dekohärenz ist freilich unerwünscht.
Im Experiment von Pashkin und seinen Kollegen bilden nun zwei räumlich voneinander getrennte Supraleiter so genannte Cooper-Paar-Boxen. Hier können sich die Paarteilchen aufhalten, wobei aus einem benachbarten Reservoir weitere Paare in die Boxen hinüber tunneln dürfen. Je nachdem, ob nun ein Überschuss an Cooperpaaren herrscht oder nicht, ist die Cooperpaar-Box auf logisch "1" oder "0" gesetzt – oder, denn schließlich handelt es sich um ein quantenmechanisches System, sie nimmt einen überlagerten Zustand der beiden Möglichkeiten ein.
So weit, so gut, an für sich sind diese Cooper-Paar-Boxen noch gar nichts Neues. Das Besondere an dem Experiment der Japaner ist aber, dass zwei dieser Boxen miteinander gekoppelt wurden. Zwar sind die Supraleiter nicht leitend miteinander verbunden, aber der isolierende Zwischenraum zwischen ihnen ist immerhin so klein, dass sich die Cooper-Paare elektrostatisch über den Graben hinweg beeinflussen können.
Der "Inhalt" der Boxen reagiert also nicht unabhängig voneinander, sondern nur "in Absprache" mit der Box nebenan. So ein Verhalten quantenmechanischer Systeme nennen Physiker Verschränkung. Und eben jene Verschränkung ist für einen zukünftigen Quantencomputer ebenso wichtig wie das Superpositionsprinzip, das erlaubt, dass ein Qubit ein bisschen 1 und gleichzeitig ein bisschen 0 sein darf.
Wenngleich es Pashkin und seinen Kollegen noch nicht gelang, die Qubits in den beiden Boxen in einen definierten verschränkten Zustand zu versetzen, wie es später einmal für richtiges Quantenrechnen nötig wäre, so konnten sie doch zumindest schon einmal deren Wechselwirkung anhand von charakteristischen Ladungsoszillationen nachweisen. Diesen verschränkten Zustand gezielt zu manipulieren und auszulesen, wäre dann der nächste Schritt auf dem langen Weg zum Quantencomputer.
Ein schöner Fortschritt, wie Gianni Blatter von der ETH Zürich meint: "Das alles sind gute Grundlagen zur Entwicklung eines Festkörper-Quantenprozessors. Allerdings werden noch beträchtliche Anstrengungen nötig sein, um hiermit die komplexe Choreographie eines echten Quantenalgorithmus umzusetzen."
Doch was kommt dann? Müssen Mircosoft und Co auf einmal lernen, mit den vorhandenen Ressourcen langfristig auszukommen? Manche Visionäre setzen bereits auf den Quantencomputer, doch angesichts von mageren sieben Quanten-Bits, die Wissenschaftler zur Zeit mit einem Riesenaufwand gerade eben beherrschen, erscheint diese Technik eher noch wie ein Wunschtraum.
Aber vielleicht geht es ja doch auch einfacher. Yuri Pashkin und seine Kollegen vom Institute of Physical and Chemical Research im japanischen Wako stellten nun ein quantenmechanisches System vor, das sich zumindest leicht mit herkömmlicher Halbleitertechnik realisieren lässt: ein simpler Schaltkreis aus Aluminiumleiterbahnen, bei dem lediglich an einigen Stellen ein wenig mit einem supraleitenden Material nachgebessert wurde.
Aber gerade diese Supraleiter sind es, die dem System die Qubits für die digitale Information spendieren – gespeichert in den Ladungsträgern des Materials. Die Ladungsträger eines Supraleiters sind die Cooperpaare – Elektronen, die zu zweit durch das Material ziehen. Und jener Zusammenhalt sorgt auch dafür, dass die quantenmechanische Information nicht so schnell verloren geht. Denn Störungen mit der Umgebung lösen sonst häufig den sorgsam präparierten, fragilen quantenmechanischen Zustand auf. Dieses Phänomen der Dekohärenz ist freilich unerwünscht.
Im Experiment von Pashkin und seinen Kollegen bilden nun zwei räumlich voneinander getrennte Supraleiter so genannte Cooper-Paar-Boxen. Hier können sich die Paarteilchen aufhalten, wobei aus einem benachbarten Reservoir weitere Paare in die Boxen hinüber tunneln dürfen. Je nachdem, ob nun ein Überschuss an Cooperpaaren herrscht oder nicht, ist die Cooperpaar-Box auf logisch "1" oder "0" gesetzt – oder, denn schließlich handelt es sich um ein quantenmechanisches System, sie nimmt einen überlagerten Zustand der beiden Möglichkeiten ein.
So weit, so gut, an für sich sind diese Cooper-Paar-Boxen noch gar nichts Neues. Das Besondere an dem Experiment der Japaner ist aber, dass zwei dieser Boxen miteinander gekoppelt wurden. Zwar sind die Supraleiter nicht leitend miteinander verbunden, aber der isolierende Zwischenraum zwischen ihnen ist immerhin so klein, dass sich die Cooper-Paare elektrostatisch über den Graben hinweg beeinflussen können.
Der "Inhalt" der Boxen reagiert also nicht unabhängig voneinander, sondern nur "in Absprache" mit der Box nebenan. So ein Verhalten quantenmechanischer Systeme nennen Physiker Verschränkung. Und eben jene Verschränkung ist für einen zukünftigen Quantencomputer ebenso wichtig wie das Superpositionsprinzip, das erlaubt, dass ein Qubit ein bisschen 1 und gleichzeitig ein bisschen 0 sein darf.
Wenngleich es Pashkin und seinen Kollegen noch nicht gelang, die Qubits in den beiden Boxen in einen definierten verschränkten Zustand zu versetzen, wie es später einmal für richtiges Quantenrechnen nötig wäre, so konnten sie doch zumindest schon einmal deren Wechselwirkung anhand von charakteristischen Ladungsoszillationen nachweisen. Diesen verschränkten Zustand gezielt zu manipulieren und auszulesen, wäre dann der nächste Schritt auf dem langen Weg zum Quantencomputer.
Ein schöner Fortschritt, wie Gianni Blatter von der ETH Zürich meint: "Das alles sind gute Grundlagen zur Entwicklung eines Festkörper-Quantenprozessors. Allerdings werden noch beträchtliche Anstrengungen nötig sein, um hiermit die komplexe Choreographie eines echten Quantenalgorithmus umzusetzen."
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.