Physiker messen Quantenzustände mit elektrischem Strom

Einen Schritt näher an einem Quantencomputer aus Phosphor und Silizium

Physiker der Technischen Universität München, der University of Utah und des Hahn-Meitner-Instituts in Berlin-Adlershof sind der Realisierung eines Quantencomputers aus Phosphor und Silizium einen Schritt näher gekommen. Eine Kombination aus elektrischen, magnetischen und optischen Effekten erlaubt es, den magnetischen Zustand der Phosphoratome zu bestimmen.

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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 Münchener Doktoranden Andre Stegner und Hans Hübl angehören, ist nun dafür der experimentelle Beweis gelungen. Magnetische Informationen, die in Phosphoratomen eines Siliziumkristalls gespeichert sind, lassen sich über ein Messverfahren auslesen.

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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 Fehler besonders genau erkennen zu können, nutzten die Physiker die Tatsache 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, Informationen zu speichern und zu verarbeiten.

Der große Vorteil dieses Konzepts: Es könnte sich beispielsweise mit Elektronik auf Siliziumchips verbinden lassen.

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. Allerdings benötigen die Forscher derzeit die Elektronen von mindestens 10.000 Phosphoratomen, um ein Signal zu messen. In einigen Jahren werde es aber möglich sein, den magnetischen Zustand eines einzelnen Phosphorkerns zu erkennen, was für den Bau eines Quantencomputers nötig wäre, meint Lips.

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