Quanten-Speicher mit "Langzeitgedächtnis"

Auf dem Weg zum Quantencomputer versuchen Physiker mit verschiedenen Methoden, Quanteninformationen zu speichern. Doch bisher funktionierten die Verfahren nur knapp über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) oder die gespeicherte Quanteninformation ging nach wenigen Millisekunden verloren. Wissenschaftern aus den USA und Deutschland, darunter der Österreicher Georg Kucsko von der Harvard University, gelang es nun, einen Quantenzustand in einem Diamantkristall für mehr als eine Sekunde bei Raumtemperatur zu speichern, wie sie vor kurzem im Wissenschaftsmagazin "Science" berichteten.

Quantenmechanik am Werk

Bei einem Quantencomputer sollen einmal Phänomene der Quantenwelt für extrem schnelles Rechnen genutzt werden. Während in der herkömmlichen Informationstechnologie das Bit als kleinste Informationseinheit zwei Zustände (Ja/Nein oder 0/1) einnehmen kann, sollen beim Quantencomputer Quantenzustände als kleinste Einheit dienen, sogenannte Quantenbits (Qubits). Weil dabei die Gesetze der Quantenwelt gelten, kann ein solcher Quantenzustand unendlich viele verschiedene Schwebezustände zwischen zwei Möglichkeiten einnehmen.

Um Qubits zu speichern, werden unterschiedliche physikalische Systeme eingesetzt, beispielsweise Atome, die ähnlich wie Eier in einem Eierkarton in einem Gitter aus gekreuzten Laserstrahlen liegen, oder Atomkerne in einem Festkörper. Ein Quantenspeicher aus mehreren Qubits würde eine fälschungssichere Speicherung ermöglichen, denn die Gesetze der Quantenphysik verbieten die Kopie eines Quantenzustands. Zudem kann nur jemand den Inhalt auslesen, der die Bedingungen kennt, unter denen der Speicher beschrieben worden ist.

Widersprüchliche Anforderungen

Allerdings sind die Anforderungen an einen Quantenspeicher hoch: Einerseits muss er von der Umwelt so gut wie möglich isoliert werden, damit die Quanteninformation nicht durch Einflüsse von außen zerstört wird. Andererseits muss die Information in den Speicher geschrieben und ausgelesen werden können, eine völlige Isolierung ist daher nicht möglich. Den Wissenschaftern der Harvard University, wo Kucsko derzeit unter der Leitung von Mikhail Lukin sein PhD-Studium absolviert, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik rund um den theoretischen Physiker Ignacio Cirac und des California Institute of Technology (Caltech) ist es nun gelungen, diese widersprüchlichen Ansprüche unter einen Hut zu bringen und die bisherige Speicherzeit um fast das Tausendfache zu erhöhen.

Sie verwenden dazu künstlich hergestellte Diamanten, die mit geringen Mengen des Kohlenstoff-Isotops C-13 und Stickstoff verunreinigt sind. Als Qubit dient ein C-13-Atomkern, konkret dessen Spin, der ein magnetisches Moment verursacht. Der Kern verhält sich daher wie ein winziger Stabmagnet, der sich im Verhältnis zu einem von außen angelegten Magnetfeld parallel oder antiparallel ausrichten kann - wobei diese beiden Zustände in ihrem Extremwert der 0 und 1 des Qubits entsprechen. Die Information kann aber nicht direkt im C-13-Kern gespeichert bzw. ausgelesen, dafür ist ein Umweg notwendig.

In direkter Umgebung des Stickstoffatoms fehlt ein Kohlenstoffatom. Ein solches Konstrukt mit einer Fehlstelle nennt sich N-V-Zentrum (N für Stickstoff und V für den englischen Begriff Fehlstelle: vacancy). Sein Zustand beeinflusst jenen eines benachbarten C-13-Atoms. Über den Umweg des N-V-Zentrums kann daher mit Hilfe von Laser-, Mikro- oder Radiowellen Information in das C-13-Atom eingeschrieben und ausgelesen werden. Weil der C-13-Kern ein vergleichsweise kleines magnetisches Moment besitzt, reagiert es weniger empfindlich auf Umwelteinflüsse und kann daher die Quanteninformation länger behalten.

Durch verschiedene zusätzliche Maßnahmen konnte die Lebensdauer des Qubits auf etwa 1,4 Sekunden gesteigert werden. Die Wissenschafter halten sogar eine Speicherdauer von 36 Stunden für möglich.

(APA)