Quantenbits mit Rekordlebensdauer

Ein internationales Team um Kamyar Saeedi von der kanadischen Simon Fraser University vermeldet einen neuen Rekord: die Herstellung eines gemischten Quantenzustandes, der 39 Minuten lang bei Raumtemperatur standhielt. Hierfür dotierten die Forscher den Halbleiter Silizium mit Phosphorionen. Anschließend überlagerten sie die Spinzustände der Ionenkerne mithilfe magnetischer Pulse zu einem gemischten Quantenzustand. Auf diese Weise könnten Ionen-Kernspins die Rolle von Rechenbits in künftigen Quantencomputern übernehmen, berichten Saeedi und seine Kollegen im Fachmagazin „Science“.

In herkömmlichen Computern werden Daten elektrisch oder magnetisch in Form von Bitreihen gespeichert. Ein Bit kann dabei entweder den Wert „Eins“ oder „Null“ annehmen. Kernspins – vergleichbar mit Eigendrehungen von Atom- oder Ionkernen – eignen sich als Quantenbits, denn sie können sich auf genau zwei Arten relativ zu einem Magnetfeld ausrichten. Entsprechend werden ihre Basiszustände „Up“ und „Down“ genannt. Im Experiment brachten Saeedi und seine Forscherkollegen die Kernspins der Phosphorionen nun in einen sogenannten gemischten Quantenzustand. Dabei überlagern sich die beiden Basiszustände derart, dass sich die Quantenbits zugleich im Zustand „Eins“ und „Null“ befinden – sodass sie theoretisch mehrere Rechenoperationen gleichzeitig ausführen können. Solche gemischten Quantenzustände sind jedoch instabil.

„39 Minuten erscheinen nicht sehr lang. Aber da es nur eine hunderttausendstel Sekunde braucht, bis der Kernspin eines Phosphorions umklappt, könnten in der Zeit, in der der gemischte Quantenzustand gerade um ein Prozent zerfällt, über zwei Millionen Rechenoperationen durchgeführt werden“, erläutert Ko-Autorin Stephanie Simmons von der Oxford University. „Derart robuste und langlebige Quantenbits könnten sich als hilfreich für den Bau von Quantencomputern erweisen.“

Die Forscher präparierten zunächst eine Silizium-Phosphor-Probe und setzten diese bei minus 269 Grad Celsius in ein Magnetfeld. Mit weiteren magnetischen Pulsen kippten sie die ausgerichteten Kernspins der Phosphorionen und erzeugten so die gemischten Quantenzustände. Dann erhöhte das Team die Systemtemperatur auf 25 Grad Celsius. Bei dieser milden Temperatur behielten etwa 37 Prozent der Ionen ihren gemischten Quantenzustand für 39 Minuten bei. „Diese Lebensdauern sind mindestens zehnmal länger als jene, die in bisherigen Experimenten gemessen wurden“, sagt Stephanie Simmons. „Damit haben wir ein System gefunden, das praktisch keinem Rauschen unterliegt.“

Auf dem Weg zum Quantencomputer warten allerdings noch weitere Herausforderungen auf die Physiker. Die Kernspins der Phosphorionen – in diesem Experiment waren es rund 10 Milliarden – wurden alle in den gleichen gemischten Quantenzustand versetzt. Um Berechnungen durchführen zu können, müssen die einzelnen Quantenbits jedoch in unterschiedlichen Zuständen vorliegen und ohne Einbußen bei der Lebensdauer miteinander „kommunizieren“ können.