Verschränkte Zustände bilden die Grundlage für Quantenkommunikation und -informationsverarbeitung. Die Speichereinheiten von Quantencomputern könnten etwa in großen Ensembles aus miteinander verschränkten Teilchen realisiert werden. Während dies im gasförmigen Zustand längst geglückt ist, haben Forscher nun erstmals auch in einem Kristall zehn Milliarden Spinpaare gleichzeitig miteinander verschränkt.

John Morton von der University of Oxford in England und seine Kollegen verwendeten für ihr Experiment einen nur halbmillimetergroßen, isotopenreinen Siliziumkristall. Darin eingebracht waren Milliarden Phosphor-31-Atome, deren Elektronen- und Kernspins die Forscher beeinflussten. Dazu legten sie ein starkes Magnetfeld an und kühlten den dotierten Kristall auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Ein Großteil der Elektronenspins richtete sich daraufhin parallel zueinander aus. In einem weiteren Schritt wurden auch die Kernspins mit Hilfe von Mikrowellen- und Radiopulsen polarisiert.

Nachdem die Phosphoratome derart präpariert waren, ließ sich das Ensemble mit Mikrowellen- und Radiopulsen in einen verschränkten Zustand überführen. Dass die Wissenschaftler tatsächlich alle Elektronen- und Kernspins miteinander verknüpft hatten, prüften sie mit einem Verfahren namens Dichtematrixtomografie – ein Quantenzustand wird hierbei mit speziellen mathematischen Methoden vermessen.

Mit ihrem Verfahren ließe sich ein skalierbares Netzwerk aus verschränkten Kernspins erzeugen, so die Forscher, das den Ausgangspunkt für einen Quantencomputer auf Basis von Silizium bilden könnte. (mp)