Innsbrucker Physiker machen für Quantencomputer halbe Sachen

Theoretiker schlagen für neues Konzept Brücke von der Festkörper- zur Quantenphysik - „Halbe Atome“ am Ende eines Quantendrahts als Qubits

Innsbruck - Auf dem Weg zu einem zukünftigen Quantencomputer suchen Wissenschafter weltweit nach Systemen, mit denen sich Quantenbits, die kleinsten Informationseinheiten, realisieren lassen. Eine Schwäche der bisher gefundenen Systeme ist ihre Empfindlichkeit, sie lassen sich sehr leicht von Umgebungseinflüssen stören. Innsbrucker Physiker haben nun Quanten-und Festkörperphysik verbunden und in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ ein neues Konzept für die Implementierung von Qubits vorgeschlagen. Sie machen dabei im wahrsten Sinn des Wortes halbe Sachen.

Üblicherweise ist das Bit die kleinste Informationseinheit in der Informationstechnologie. Es kann zwei Zustände - etwa Ja/Nein oder 0/1 - einnehmen. Beim Quantencomputer sollen dagegen Quantenzustände als kleinste Einheit - genannt Quantenbit (Qubit) - dienen. Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand den Schwebezustand zwischen diesen zwei Möglichkeiten einnehmen. Mit mehreren Qubits könnte man deshalb bestimmte Probleme wesentlich schneller lösen als in einem klassischen Computer.

Das Team um Sebastian Diehl und Peter Zoller von der Universität Innsbruck nutze für das von ihnen vorgeschlagene Konzept einerseits ein Phänomen, das in der Quantenphysik gar nicht gerne gesehen ist, die sogenannte Dissipation. Üblicherweise wird durch Dissipation Unordnung erzeugt, etwa wenn durch Reibung Wärme entsteht. Während die Reibebewegung gerichtet ist, ist die entstehende Wärme ungerichtet, die Ordnung nimmt ab. In den letzten Jahren ist es den Physikern aber gelungen, im Rahmen der Gesetze der Quantenmechanik den Spieß umzudrehen und mit Dissipation sogar Quantenordnung herzustellen.

Durch Dissipation kann man auch, so Diehl, „topologische Ordnung herstellen“. Dieses Phänomen hat in der Festkörperphysik in den vergangenen Jahren etwa in Form „topologischer Isolatoren“ zunehmend an Bedeutung gewonnen. „Topologische Isolatoren“ verhalten sich in ihrem Inneren wie ein elektrischer Isolator, erlauben aber gleichzeitig an ihrer Oberfläche das Fließen von Strom.

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Die Innsbrucker Physiker schlagen nun vor, einen „Quantendraht“, im Prinzip eine Kette einzelner Atome, durch Dissipation in einen bestimmten Zustand zu zwingen. Dann entstehen an den beiden Enden des „Drahts“ sogenannte Majorana-Fermionen. Dabei handelt es sich um seltsame, bisher nur theoretisch vorhergesagte Teilchen, die völlig ident mit ihren Antiteilchen sind. An den beiden Enden des „Quantendrahts“ verhalten sich die Majorana-Fermionen „im mathematischen Sinne wie halbe Atome“, so Diehl, mit sehr ungewöhnlichen Eigenschaften.

Besonders interessant dabei ist, dass sich die Majorana-Fermionen als elementare Recheneinheiten für einen Quantencomputer eignen würden, „sie könnten als Bausteine für ein Qubit verwendet werden“, sagte Diehl. Vorteil dieses Systems sei, dass die in die Majorana-Fermionen eingeschriebenen Infos gegen störende Einflüsse aus der Umgebung geschützt seien, sich aber auch nicht gegenseitig beeinflussen können, weil sie vom „Quantendraht“ räumlich getrennt werden. (APA)


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