Für ein schon vor acht Jahren vorgeschlagenes Konzept zur Realisierung von Quantencomputern aus Phosphor und Silizium haben Forscher jetzt ein Prinzip gefunden, mit dem die Information nach Beendigung des Rechenprozesses ausgelesen werden kann. Eine raffinierte Kombination von elektrischen, magnetischen und optischen Effekten erlaubt es, den magnetischen Zustand der Phosphoratome zu bestimmen.
Der Quantencomputer fasziniert seit einigen Jahren die Physikergemeinde. Theoretiker sagen vorher, dass damit bestimmte Rechnungen in akzeptabler Zeit durchgeführt werden könnten, für die herkömmliche Rechenmaschinen aus Prinzip länger bräuchten, als das bekannte Universum existiert.
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Bereits 1998 hatte der amerikanische Physiker Bruce Kane vorgeschlagen, einen Quantencomputer zu realisieren, indem man einzelne Phosphorkerne nutzt, die in einem Siliziumkristall eingebettet sind. Wegen ihrer magnetischen Eigenschaften eignen sie sich dafür, Information zu speichern und zu verarbeiten. Seitdem arbeiten Wissenschaftler daran, die nötigen Voraussetzungen zu schaffen, denn das Konzept verspricht einige Vorteile gegenüber anderen Realisierungsversuchen. Es ließe sich beispielsweise elegant mit Elektronik auf Siliziumchips verbinden.
Der experimentelle Beweis, dass dieses Konzept funktioniert, ist jetzt Physikern der Technischen Universität München, der University of Utah und des Hahn-Meitner Instituts in Berlin-Adlershof gelungen. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Ursprünglich für Solarmodule gedacht
Die neue Messmethode wurde ursprünglich von Klaus Lips, Projektleiter am Hahn-Meitner Institut Berlin, und Christoph Böhme, jetzt Assistenzprofessor an der University of Utah, für Photovoltaikmaterialien entwickelt. Die Berliner Forscher diagnostizieren damit Fehler im Aufbau von Siliziumkristallen. Denn solche Kristalldefekte verringern in Solarzellen den Wirkungsgrad. Um sie besonders empfindlich detektieren zu können, nutzten die beiden Physiker aus, dass Elektronen einen so genannten Spin besitzen. Durch den Spin verhalten sich die Elektronen, aber auch die Atomkerne des Phosphors, wie kleine Stabmagnete.
Diesen Effekt machten sich die beiden Doktoranden Andre Stegner und Hans Hübl jetzt zunutze. In zeitraubenden Experimenten, für die sie mit ihren Proben das Photovoltaikteam am Hahn- Meitner- Institut in Berlin-Adlershof besuchten, präparierte das Team mithilfe von Magnetfeldern und Impulsen aus Mikrowellenstrahlen die verschiedenen Elektronenspins so, dass sie am Ende durch Messung des elektrischen Stroms durch den Kristall etwas über den magnetischen Zustand der Phosphorelektronen und -kerne erfahren. Damit könnte prinzipiell ein Phosphor-Silizium Quantencomputer ausgelesen werden.
Noch ein weiter Weg…
Bevor das Konzept realisiert werden kann, müssen allerdings noch viele Hürden genommen werden. Erstens müssen die Phosphoratome und Kristalldefekte mit einer Genauigkeit von weniger als einem Milliardstel Meter in dem Siliziumkristall angeordnet werden. Zweitens muss der Quantencomputer programmiert und zum Rechnen gebracht werden. Dann erst kommt das Auslesen, der dritte Schritt des Ganzen zum Tragen, den jetzt die Forscher experimentell getestet haben.
Die Forscher benötigen derzeit die Elektronen von mindestens 10.000 Phosphoratomen, um ein Signal zu messen. „In einigen Jahren wird es klappen, sogar den magnetischen Zustand eines einzelnen Phosphorkerns zu detektieren, wie es für den Bau eines Quantencomputers nötig ist“, sagt Klaus Lips.
(Hahn-Meitner-Institut Berlin, 07.12.2006 – NPO)
