Neuer Bauplan für stabilere Quantencomputer

Auf dem Weg zu Quantencomputern sind zunächst sogenannte Quantenbits nötig: Speicher-Bits, die anders als die klassischen Bits nicht nur die binären Werte Null und Eins annehmen können, sondern auch jede beliebige Kombination dieser Zustände. «Damit wird eine ganz neue Art von Berechnung und Datenverarbeitung möglich, die für spezifische Anwendungen eine enorme Beschleunigung der Rechenleistung bedeutet», erklärt der PSI-Forscher Manuel Grimm, Erstautor einer neuen Fachpublikation zum Thema Quantenbits.

In dieser beschreiben die Autoren, wie sich logische Bits und ihre Verknüpfungen zu grundlegenden Rechenoperationen in einem magnetischen Festkörper realisieren liessen: Einzelne Atome aus der Klasse der Seltenen Erden, die in das Kristallgitter einer Trägersubstanz eingebaut wären. Mittels Quantenphysik rechnen die Autoren vor, dass der Kernspin der Seltenen-Erde-Atome als Informationsträger, also als Quantenbit, geeignet wäre.

Sie schlagen weiterhin vor, dass gezielte Laserpulse die entscheidende Information kurzzeitig auf die Ebene der Elektronen des Atoms übertragen und so die Quantenbits aktivieren könnten, was eine weiter reichende Sichtbarkeit der Information für die umgebenden Atome bedeutet. Zwei derart aktivierte Quantenbits kommunizieren miteinander und lassen sich dabei «verschränken».

Verschränkung ist eine besondere Eigenschaft von Systemen mit mehreren Quantenteilchen, die besonders für Quantencomputer essenziell ist: Das Messergebnis eines Quantenbits hängt dann direkt vom Messergebnis anderer Quantenbits ab und umgekehrt.