Neue Methode erlaubt individuelle Messung von Qubits aus miteinander gekoppelten Elektronenspins

Quantencomputer

Delft (Niederlande)/Zürich (Schweiz) - Die kleinste Recheneinheit für einen extrem leistungsfähigen Quantencomputer ist ein sogenanntes Quantenbit, kurz Qubit. Um aus diesem nach dem Rechenprozess das Ergebnis auch auslesen zu können, entwickelte nun ein Team aus Physikern eine neue Messmethode. Wie sie in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift "Science" berichten, konnten sie die elektromagnetischen Spinzustände von zwei Qubits völlig unabhängig voneinander bestimmen, obwohl diese kleinsten Speichereinheiten quantenmechanisch miteinander gekoppelt waren.

"Die Messung von gekoppelten Quantenzuständen spielt eine zentrale Rolle bei der Berechnung von Quanteninformationen", schreiben Katja Nowack von der Technischen Universität Delft und ihre Kollegen von der Technischen Hochschule in Zürich. Doch das gestaltete sich bisher sehr schwierig: Das Auslesen eines solchen Quantenzustands störte zwangsläufig den Informationsinhalt in gekoppelten Qubits. Mit elektrischen Pulsen konnten die Forscher diese Hürde für ein Zwei-Qubit-System nun überwinden.

Der rudimentäre Quantencomputer der Forscher an der Delfter Hochschule besteht aus einer nanostrukturierten Galliumarsenid-Schicht, die auf einer Oberfläche aus Titan und Gold aufliegt. Dazwischen können einzelne Elektronen eingefangen und kontrolliert werden. Der sogenannte Spin, der Eigendrehimpuls dieser Elektronen, kann in zwei Richtungen weisen und so die digitalen Basiswerte "0" und "1" annehmen. Unter einem starken Magnetfeld von 6,5 Tesla gelang es den Forschern nun, die Ausrichtung dieser Spinzustände sehr schonend mit einem schwachen Spannungspuls zu bestimmen. Das klappte so gut, dass der Spinzustand des zweiten Qubits oder Elektrons nicht beeinflusst wurde.

Mit dieser Methode ebnen die Physiker den Weg zum Auslesen von zahlreichen Qubits in zukünftigen Quantencomputern. Die Qualität dieses Leseprozesses, die für eine Zuverlässigkeit der Daten möglichst nah an 100 Prozent reichen sollte, schwankt derzeit zwischen 77 und 95,7 Prozent. Doch mit empfindlicheren Methoden zur Messung elektrischer Ladungen und geringeren Magnetfeldern hoffen die Forscher, diesen Wert noch verbessern zu können. Auch wenn diese elegante Auslesetechnik von Qubits einen wichtigen Fortschritt darstellt, ist es bis zu einem nutzbaren Quantencomputer, der beispielsweise Verschlüsselungscodes extrem schnell knacken könnte, noch ein sehr weiter Weg.