Ein Schritt zum Quantencomputer - Physiker messen Quantenzustände mit elektrischem Strom

Für ein vor acht Jahren vorgeschlagenes Konzept zur Realisierung von Quantencomputern aus Phosphor und Silizium ist ein Prinzip gefunden worden, mit dem die Information nach Beendigung des Rechenprozesses ausgelesen werden kann. Eine raffinierte Kombination von elektrischen, magnetischen und optischen Effekten erlaubt es, den magnetischen Zustand der Phosphoratome zu bestimmen. Das haben Physiker der Technischen Universität München, der University of Utah und des Hahn-Meitner Instituts in Berlin-Adlershof jetzt demonstriert und in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Ursprünglich haben Klaus Lips, Projektleiter am Hahn-Meitner Institut Berlin, und Christoph Böhme, jetzt Assistenzprofessor an der University of Utah, ihre Materialien mit Licht, Magnetfeldern und kurzen Mikrowellenimpulsen traktiert, um zu untersuchen, wie gut sie sich für Solarzellen eignen. Vor zwei Jahren hatten sie und ihre Kollegen um Martin Brandt von der Technischen Universität München dann die Idee, die Methode für ein Konzept zu verwenden, mit dem eines Tages vielleicht ein Quantencomputer realisiert werden könnte. Dem Forscherteam, dem auch die jungen Münchener Doktoranden Andre Stegner und Hans Hübl angehören, ist nun dafür der experimentelle Beweis gelungen. Magnetische Information, die in Phosphoratomen eines Siliziumkristalls gespeichert ist, lässt sich über ein geschicktes Messverfahren tatsächlich auslesen.

Der Quantencomputer fasziniert seit einigen Jahren die Physikergemeinde. Theoretiker sagen vorher, dass damit bestimmte Rechnungen in akzeptabler Zeit durchgeführt werden könnten, für die herkömmliche Rechenmaschinen aus Prinzip länger bräuchten, als das bekannte Universum existiert.

Die neue Messmethode wurde am Hahn-Meitner-Institut für Photovoltaikmaterialien entwickelt. Die Berliner Forscher diagnostizieren damit Fehler im Aufbau von Siliziumkristallen. Denn solche Kristalldefekte verringern in Solarzellen den Wirkungsgrad. Um sie besonders empfindlich detektieren zu können, nutzten die beiden Physiker aus, dass Elektronen einen so genannten Spin besitzen.

Durch den Spin verhalten sich die Elektronen, aber auch die Atomkerne des Phosphors, wie kleine Stabmagnete. Bereits 1998 hatte der amerikanische Physiker Bruce Kane deshalb vorgeschlagen, einen Quantencomputer zu realisieren, indem man einzelne Phosphorkerne nutzt, die in einem Siliziumkristall eingebettet sind. Wegen ihrer magnetischen Eigenschaften eignen sie sich dafür, Information zu speichern und zu verarbeiten. Seitdem arbeiten Wissenschaftler daran, die nötigen Voraussetzungen zu schaffen, denn das Konzept verspricht einige Vorteile gegenüber anderen Realisierungsversuchen. Es ließe sich beispielsweise elegant mit Elektronik auf Siliziumchips verbinden.

Bevor das Konzept realisiert werden kann, müssen allerdings noch viele Hürden genommen werden. Erstens müssen die Phosphoratome und Kristalldefekte mit einer Genauigkeit von weniger als einem Milliardstel Meter in dem Siliziumkristall angeordnet werden. Zweitens muss der Quantencomputer programmiert und zum Rechnen gebracht werden. Drittens muss am Schluss die in den Kernen der Phosphoratome kodierte Information ausgelesen werden.

„Für den letzten Schritt eignet sich im Prinzip unsere Methode“, sagt Klaus Lips. Das zeigten die beiden Doktoranden Andre Stegner und Hans Hübl in zeitraubenden Experimenten, für die sie mit ihren Proben das Photovoltaikteam am Hahn-Meitner-Institut in Berlin-Adlershof besuchten. Bei der Methode spielen Elektronen auf den Phosphoratomen und an den Kristalldefekten eine Rolle. Mit Magnetfeldern und Impulsen aus Mikrowellenstrahlen hat das Team es geschafft, die verschiedenen Elektronenspins so zu präparieren, dass sie am Ende durch Messung des elektrischen Stroms durch den Kristall etwas über den magnetischen Zustand der Phosphorelektronen und -kerne erfahren. Damit könnte prinzipiell ein Phosphor-Silizium Quantencomputer ausgelesen werden.

Die Forscher benötigen derzeit die Elektronen von mindestens 10.000 Phosphoratomen, um ein Signal zu messen. „In einigen Jahren wird es klappen, sogar den magnetischen Zustand eines einzelnen Phosphorkerns zu detektieren, wie es für den Bau eines Quantencomputers nötig ist“, sagt Klaus Lips.

Veröffentlichung: Electrical detection of coherent 31P spin quantum states Andre R. Stegner, Christoph Boehme, Hans Huebl, Martin Stutzmann, Klaus Lips, Martin S. Brandt Nature Physics Band 2, Heft 12, Seite 835 (2006)