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Nr 25 2021 www markttechnik de 21 Seltsam stabile Verschränkung Neue Hoffnung für Quantencomputer Ein System aus zwei verschränkten Atomen hat sich selbst unter Elektronenbeschuss als erstaunlich stabil erwiesen Das lässt die Quantencomputer-Enthusiasten hoffen Das Experiment das Wissenschaftler der TU Delft der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich in der renommierten Fachzeitschrift Science beschrieben haben könnte einen Hinweis darauf liefern dass sich die Quantenzustände in einem Quantencomputer in bestimmten Fällen einfacher realisieren lassen als bislang gedacht Denn die Dekohärenz – also der Zerfall eines verschränkten Systems – ist der große limitierende Faktor für Quantencomputer Nur im verschränkten Zustand lassen sich nämlich die Qubits manipulieren und auslesen Für Qubits auf Basis von supraleitenden Schleifen Joseph son-Kontakte liegt der Zeitraum über den sich die Verschränkung aufrechterhalten lässt im Bereich von Millisekunden für Qubits auf Basis von Ionenfallen immerhin schon bei Minuten Nur dieser Zeitraum steht zur Verfügung um Berechnungen durchführen zu können Sobald das System mit der Umgebung wechselwirkt zerfällt der Quantenzustand – die Information die in den Qubits steckt geht danach unwiderruflich verloren »Systeme die der Quantenphysik unterliegen sind anders als klassische Objekte nicht in all ihren Eigenschaften scharf definiert Stattdessen können sie mehrere Zustände gleichzeitig besetzen Man spricht hier von Überlagerung« erklärt Markus Ternes Quantenphysiker am Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen »Ein berühmtes Beispiel ist Schrödingers Gedankenexperiment mit der Katze die zeitweilig zugleich tot und lebendig ist Die Überlagerung bricht jedoch zusammen sobald das System gestört oder gemessen wird Übrig bleibt dann nur noch ein einziger Zustand der Messwert « Umso erstaunlicher wirkt vor diesem Hintergrund das Experiment das Forschende nun an der TU Delft durchgeführt haben Mithilfe einer neuen Methode gelang es ihnen erstmals in Echtzeit zu beobachten wie zwei miteinander gekoppelte Atome frei zwischen verschiedenen angeregten Zuständen flipflopartig hin und her wechseln »Jedes Atom trägt ein kleines magnetisches Moment den sogenannten Spin Diese Spins beeinflussen sich gegenseitig so wie es Kompassnadeln tun wenn man sie in die Nähe bringt Wenn man einem von ihnen einen Schubs gibt fangen sie an sich auf eine ganz bestimmte Weise zu bewegen« erklärt Sander Otte Leiter des Delfter Forschungsteams Aus dieser Art des Informationsaustauschs zwischen Atomen gehen Quanteneffekte hervor auf denen verschiedene Formen von Quantentechnologien basieren Ein bekanntes Beispiel ist die Supraleitung der Effekt bei dem einige Materialien unterhalb einer kritischen Temperatur ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren Otte und sein Team wählten einen sehr direkten Weg um die Interaktion zwischen den Atomen zu beobachten Mit einem Rastertunnelmikroskop platzierten sie zwei Titanatome in einem Abstand von etwas mehr als einem Nanometer – einem Millionstel Millimeter – nebeneinander In diesem Abstand sind die Atome gerade noch in der Lage den Spin des jeweils anderen zu spüren Würde man nun einen der beiden Spins verdrehen würde der Austausch zwischen den Atomen von selbst beginnen Normalerweise wird dieses Umklappen mittels präziser Funksignale durchgeführt die man an die Atome sendet Diese sogenannte Spin-Resonanz-Technik erinnert an die Kernspintomografen in einem Krankenhaus und wird in der Forschung bereits erfolgreich eingesetzt Unter anderem werden Quantenbits in bestimmten Quantencomputern so programmiert Das Verfahren hat jedoch einen Nachteil »Es ist einfach zu langsam« sagt der Delfter Doktorand Lukas Veldman Hauptautor der Science-Pub-Künstlerische Darstellung des Science-Experiments