ETH-Team erzielt wichtigen Fortschritt für Quantencomputing

23. November 2007, 12:02
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Was ein ausgestreckter Arm (Daumen nach links) mit Quantenphänomenen zu tun hat.

Was ein ausgestreckter Arm (Daumen nach links) mit Quantenphänomenen zu tun hat.
Quantencomputer sind sicher nicht die nächste oder auch nur übernächste Generation von Computern. Aber irgendwann könnten auf Quanteeffekten beruhende Rechner, die theoretisch unzählige Rechnungen gleichzeitig ausführen und bisherige Computer punkto Geschwindigkeit weit in den Schatten stellen werden, zum Alltag werden.
Auf dem Weg dahin sind aber viele Probleme zu lösen, und die Forschung schreitet an vielen Fronten und in vielen Einzelschritten und Schrittchen vorwärts. Ein grösseren dieser Schritte hat nun ein Team um Physik-Professor Andreas Wallraff vom Quantum Device Lab der ETH Zürich absolviert. Den ETH-Forschern ist es gelungen, auf einem Mikrochip einen ganz speziellen Zustand eines "Quantenbits" zu erzeugen und eine "geometrische Operation" auszuführen.
Nun können wir bei allem Selbstbewusstsein nicht behaupten, auch auf dem Gebiet der Quantencomputerei wirklich eine Ahnung zu haben. Wir verlassen uns daher auf die Originalschilderung der ETH: "Dieser Zustand beruht auf einer geometrischen Operation, die sich am eigenen Körper nachvollziehen lässt, indem man den rechten Arm über den Kopf ausstreckt, der Daumen zeigt nach links. Man senkt den Arm nach vorne, bewegt ihn zur Seite und hebt ihn – ohne ihn zu verdrehen - wieder über den Kopf. Der Daumen zeigt nun nach vorne anstatt nach links, hat also eine geometrische Transformation vollzogen. Vergleichbare Effekte treten auch in der Quantenphysik auf und gelten als vielversprechende Möglichkeiten für zukünftige Quantenrechner.
Die Physiker des Quantum Device Lab der ETH Zürich haben diesen Zustand nun in einem Festkörper erzeugt. Sie konstruierten einen supraleitenden Schaltkreis auf einem Mikrochip in einer Architektur, die 'Circuit quantum electrodynamics', kurz circuit QED genannt wird. In diesem Schaltkreis eingebaut ist eine winzige rechteckige 'Schachtel', die als Insel bezeichnet wird, in welcher man Elektronen speichern kann. In ihr kann die Zahl der Elektronen einzeln mit elektrischen und magnetischen Feldern kontrolliert werden, um die Qubitzustände 0 und 1 oder verschiedene Überlagerungen der beiden Möglichkeiten zu erhalten.
Die Zahl der Ladungen auf der Insel konnte über längere Zeit stabil gehalten werden. Deshalb war es möglich, die auf diese Art gespeicherte Information mittels Mikrowellensignalen von hoher Frequenz, die in den Schaltkreis eingespeist werden, geometrisch so zu kontrollieren wie zuvor für den Arm beschrieben. Dieser Manipulation des Zustands eines Qubits nennt man 'Berry’s Phase', nach dem britischen Physiker Michael Berry der diese in den 1980er Jahren postulierte."~~
Diese kontrollierte Phasenveränderung, für die die ETH-Leute den Mikrochip allerdings auf eine Temperatur nahe dem abloluten Nullpunkt (-273 Grad) abkühlen mussten, kann gemäss ETH möglicherweise eines Tages genutzt werden, um logische Steuerungselemente in einem supraleitenden Quantencomputer zu realisieren. (Hans Jörg Maron)
(Oberes Bild: Die ETH-Physiker Andreas Wallraff, Johannes Fink, Romeo Bianchetti (v.r.n.l., nicht abgebildet sind die weiteren Teammitglieder Peter Leek und Martin Goeppl.)
Unteres Bild: Ein Schema des verwendeten Chips.)

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