Ruhe für die Quanten

News: Ruhe für die Quanten

Rechnen erfordert Konzentration - das ist beim Quantencomputer nicht anders als beim Menschen. Ihre besonderen Bits sollen dem Computer der Zukunft enorme Fähigkeiten verleihen, reagieren aber leider auch äußerst sensibel auf die kleinste Störung: Sie vergessen prompt das Gemerkte. Physiker entwickelten nun eine Methode, welche die Erinnerung ein wenig länger aufrecht erhält - lang genug, um die Informationen weiter zu verarbeiten. So scheint ein Quantenspeicher in greifbarer Nähe.

In der seltsamen Welt der Quanten können Teilchen in zwei verschiedenen Zuständen gleichzeitig existieren. Ein magnetisches Ion zeigt beispielsweise sowohl nach oben als auch nach unten, was es zu einem guten Kandidaten für ein Qubit – Quanten-Bit – macht, das quantenmechanische Analogon eines herkömmlichen Bits. Da das Qubit beide Zustände einnimmt, können Rechenoperationen auch beide Informationen gleichzeitig berücksichtigen. Das spart enorm viel Zeit. Leider hält sich ein Qubit nicht besonders lange – Bruchteile einer Sekunde dauert es, bis umgebende Materie, oder elektromagnetische Felder den fragilen Zustand stören, er seine quantenmechanische Eigenschaft verliert und damit auch die Informationen verschwinden. Physiker sprechen dabei von Dekohärenz.

David Kielpinski und seine Kollegen am National Institute of Standards and Technology in Boulder ist es nun gelungen, den Zerfall einen Moment aufzuhalten, indem sie ein Ionenpaar zur Speicherung von Information verwendeten. Die Qubits in ihrem Experiment bestanden aus Beryllium-Ionen, die in einer magnetischen Falle gefangen waren. Sie waren über die Coulombwechselwirkung, der elektrischen Kraft zwischen zwei Ladungen, wie siamesische Zwillinge aneinander gebunden. Derart geschützt blieben die Informationen dieses Qubit zehnmal länger erhalten, als es bei einem einzelnen Ion der Fall gewesen wäre (Science vom 4. Januar 2001).

Wie kann das sein? Ein einzelnes Ion würde durch ein magnetisches Streufeld gestört und gehörig durcheinander geraten. Die Zustände 'oben' und 'unten' bekämen unterschiedliche Energien. Die Phasenbeziehung zwischen den beiden Zuständen des Ions würde verwischen. Diese Information ist aber für das Rechnen mit Quanten unabdingbar. Der Trick ist, die Phaseninformation des einzelnen Ions auf ein Ionenpaar zu verteilen. Eine Störung wirkt so auf beide Ionen, die Phasen beider Atome mögen sich ändern, die Differenz bleibt aber bestehen, die Information somit erhalten. "Das Rauschen kann nicht unterscheiden, welches Qubit welches ist. 'Oben-unten' ist für das Rauschen dasselbe wie 'unten-oben'", erklärt Kielpinski.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 9.1.2001
"Erwünschte Fehler"
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Spektrum Ticker vom 3.1.2001
"Quantensprung"
Spektrum Ticker vom 20.11.2000
"Quantencomputer an der Grenze zum Chaos"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum der Wissenschaft 8/98, Seite 54
"Flüssige Quantencomputer"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)