Quantencomputer: Diamanten als Hauptspeicher
Eine Schmuckfirma erwartet wohl kaum jemand als Produzenten von Materialien eines Quantencomputers. Eine Komponente teurer Ringe ist jedoch auch hier nützlich: besonders reine Diamanten. Die japanische Adamant Namiki Precision Jewel Co., Ltd. konnte zusammen mit der Saga University deutlich größere Kristalle wachsen lassen(öffnet im neuen Fenster) als bislang möglich. Das soll im industriellen Maßstab funktionieren.
Diamanten sind eines der aussichtsreichsten Materialien für Quantenspeicher. Je größer der Diamant, desto mehr Qubits lassen sich darauf speichern. Große, gleichmäßige Diamanten werden mittels chemischer Gasphasenabscheidung(öffnet im neuen Fenster) auf einem Substrat wachsen gelassen. Hierbei sind hohe Temperaturen erforderlich, beim Abkühlen treten Probleme auf. Substrat und Diamant haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, das führt zu Spannungen, der Diamant kann brechen.
Hat er das Abkühlen überstanden, besteht beim Ablösen vom Substrat noch einmal die Gefahr, dass der Diamant durch die entstehenden Kräfte bricht. Gelöst hat Adamant Namiki die Probleme mit einem Saphirsubstrat, das eine Treppenstruktur hat. Dieses wird mit Iridium beschichtet, auf dem ein einziger großer Diamantkristall wachsen kann. Dieser wird am Ende vom Substrat heruntergeschoben.
So treten Spannungen nur in eine Richtung auf, was Brüche vermeidet. Damit konnte ein Diamant auf einem Zwei-Zoll-Wafer erzeugt werden, zuvor waren industrielle Verfahren auf Quadrate mit vier Millimeter Kantenlänge beschränkt. Im Labor wuchsen allerdings bereits größere Wafer(öffnet im neuen Fenster) .
Wie speichert der Diamant Qubits?
Um Qubits in einem Diamanten zu speichern, werden Stickstoff-Fehlstellen-Zentren(öffnet im neuen Fenster) genutzt, Verunreinigungen des Kohlenstoffgitters. Sie entstehen auch beim Wachstumsprozess, allerdings an zufälligen Positionen. Für einen Quantenspeicher sollten sie an vorgegebenen Stellen sein, um sie ansprechen und vor allem die Anzahl an Qubits festlegen zu können. Daher wird hierfür ein besonders reiner Diamant gezielt verunreinigt. Adamant Namiki verspricht für seine Diamant-Wafer eine Stickstoffverunreinigung von lediglich drei ppb (parts per billion, Anzahl der Stickstoffatome pro einer Milliarde Kohlenstoffatome).
Die Stickstofffehlstellen erzeugen ein freies (vakantes) Elektron, welches der Schlüssel zum Quantenspeicher ist. Der Spin von Elektronen kann einfach mit einem Laser ausgelesen werden(öffnet im neuen Fenster) . Das Elektron dient allerdings nur als Schnittstelle, denn ein gesetzter Spin geht nach kurzer Zeit verloren. Die Dauer, für die dieser erhalten bleibt, wird Kohärenzzeit(öffnet im neuen Fenster) genannt. Als Speicher eignet sich eine andere Verunreinigung.
Elektron ist Schnittstelle, Kohlenstoff der Speicher
Kohlenstoff hat drei natürliche Isotope(öffnet im neuen Fenster) . Die häufigsten sind C 12 und C 13 , wobei letzteres eine sehr nützliche Eigenschaft hat: Sein Atomkern hat ebenfalls einen Spin(öffnet im neuen Fenster) , und dieser ist deutlich stabiler als der eines Elektrons. Dafür muss der Diamant nicht einmal, wie viele andere Materialien, extrem abgekühlt werden. Selbst bei Raumtemperatur sind Kohärenzzeiten von mehreren Sekunden möglich.
Die Stabilität bedeutet allerdings, dass der Spin des Atomkerns kaum mit externen Einflüssen wie Licht und Magnetfeldern interagiert. Wird er allerdings mit dem des freien Elektrons verschränkt, kann er indirekt gesetzt und gelesen werden. So konnte ein Speicher für zehn Qubits(öffnet im neuen Fenster) realisiert werden, der eine Kohärenzzeit von 75 Sekunden erreichte.
Noch mehr Anwendungsmöglichkeiten
Stickstoffverunreinigte Diamanten finden nicht nur als Quantenspeicher Verwendung. Auch spintronische Schaltungen und besonders sensible Quantensensoren(öffnet im neuen Fenster) sind mit ihnen realisierbar. Eine weitere Anwendung sind besonders verträgliche Biomarker(öffnet im neuen Fenster) , extrem feines Diamantpulver kann biochemische Vorgänge in Zellen sichtbar machen (PDF)(öffnet im neuen Fenster) . Dafür genügen allerdings auch kleine Diamanten.
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