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Wie man Quantencomputern Informationen entlockt

Langsam nimmt der Quantencomputer Gestalt an. Wissenschaftlern aus Deutschland und den USA ist es jetzt erstmals gelungen, in einem Feststoff gespeicherte Quanteninformationen wieder abzurufen: Sie lasen den Kernspin von Phosphoratomen in einer Siliziumschicht auf elektrischem Wege aus. Derartige Fremdatome könnten einmal als fundamentale Speichereinheiten ? so genannte Quantenbits oder Qubits ? in einem auf Silizium basierenden Quantencomputer eingesetzt werden. Unter Umständen könnten dann sogar herkömmliche Produktionsabläufe zu dessen Herstellung benutzt werden.

Martin Stutzmann und seine Kollegen vom Walter-Schottky-Institut in Garching, dem Hahn-Meitner-Institut in Berlin und der Universität von Utah benutzten als Speicherelement für ihr Experiment ein mit Phosphoratomen dotiertes Stück Silizium. Wenn die Phosphoratome weit genug voneinander entfernt sind, können einzelne Atome im Prinzip als Speicherelemente für einen Quantencomputer benutzt werden.

Informationen werden in diesem Fall in den Kernspins der Phosophoratome gespeichert. In ihrem Experiment kühlten die Forscher das Siliziumstück auf etwa fünf Kelvin ab, so dass alle Kernspins der Phosphoratome in die gleiche Richtung wiesen. Mittels einer Kombination aus Magnetfeldern und Radiowellen wurden die Kerne dann energetisch angeregt, so dass ihre Spins periodisch ihre Richtung änderten.

Um diese Oszillationen wahrnehmen zu können, musste bisher eine der aus der Medizin bekannten Kernspinresonanz ähnliche Methode eingesetzt werden. Neben dem großen technologischen Aufwand ließ sich damit allerdings nur der gesamte Spin von etwa zehn Milliarden Phosphorkernen gleichzeitig auslesen. Für einen funktionstüchtigen Quantencomputer wäre jedoch das Auslesen eines einzelnen Kerns nötig.

Stutsmanns Team hat es nun geschafft, den Gesamtspin von nur zehntausend Phosphorkernen auf elektrischem Wege auszulesen. Dazu mussten zwei Goldelektroden auf die Siliziumplatte aufgedampft werden, zusammen mit einer dünnen Trennschicht aus Glas. Die Oszillationen der Kernspins der Phosphoratome direkt unterhalb der Oberfläche machten sich dann durch Schwankungen des Stromflusses durch die Elektroden bemerkbar.

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Dies ist auf den ersten Blick überraschend, da diese Methode eigentlich nur die Elektronen der Phosphoratome anspricht. Deren Spins waren allerdings durch ein als Spin-Bahn-Kopplung bezeichnetes Phänomen mit den Spins der Kerne verknüpft. Auf diese Weise ließen sich die Schwingungen des Kernspins über den Umweg der Elektronenspins indirekt auslesen. Die Forscher wollen nun versuchen, die Anzahl der angesprochenen Phosphoratome noch weiter zu verringern ? im besten Fall auf ein einzelnes Atom.

Nature Physics, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1038/nphys465 Stefan Maier
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