In defekten Diamanten kann sich Quanteninformation stundenlang halten

13. Februar 2018 - 11:21

Auf dem Weg zum Quantencomputer gilt es unter anderem, ein geeignetes Speichermedium für die flüchtige Quanteninformation zu finden. An der Technischen Universität (TU) Wien setzen Forscher auf das Einschreiben von Daten in "Gitterfehler" in winzigen Diamanten. Im Fachblatt "Nature Materials" zeigten sie nun, dass sich die Information dort erstaunlicherweise bis zu acht Stunden halten kann.

Von japanischen Forschern hergestellter Diamant entpuppte sich als Rekordhalter
Von japanischen Forschern hergestellter Diamant entpuppte sich als Rekordhalter

Diamant ist idealerweise ausschließlich aus einem Gitter aus Kohlenstoff-Atomen aufgebaut. In der Realität gibt es aber immer Verunreinigungen, die sich Forscher gezielt zunutze machen. Durch Bestrahlung werfen sie Kohlenstoffatome sozusagen aus dem Gitter. An deren Stelle können dann Stickstoffatome treten, neben denen dann auch eine Stelle im Gitter frei bleibt. Ein solches Konstrukt nennt sich NV-Zentrum (N für Stickstoff und V für den englischen Begriff "Fehlstelle": vacancy) und bildet ein Quantensystem, in dem eine Informationseinheit (Quanten-Bit) untergebracht werden kann.

Wissenschafter schreiben über den Eigendrehimpuls (Spin) der Stickstoff-Atome Information ein. Dazu wird ein 2016 an der TU Wien entwickelter Mikrowellenresonator an den Diamanten gekoppelt. Die Information wird über die Mikrowellen-Photonen eingebaut und wieder ausgelesen.

Wie lange kann Information gespeichert werden?

Die Physiker um Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien und Erstautor Thomas Astner gingen nun der Frage nach, wie lange etwas in solchen Systemen gespeichert werden kann. "Die Zeit, in der ein Quantenbit typischerweise seine Energie und somit auch die gespeicherte Information verliert, ist eine der technologisch wichtigsten Eigenschaften eines solchen Quantenbits. Es ist daher von besonderer Bedeutung, die Ursache für den Energieverlust und die Geschwindigkeit dieses Prozesses genau zu verstehen", so Astner. Zum ersten Mal konnte das nun im Rahmen der Untersuchung gemessen werden, heißt es am Dienstag in einer Aussendung der TU.

Das erstaunliche Resultat: Bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt bei ungefähr minus 273 Grad Celsius schaffte es der Rekordhalter - ein spezieller, von japanischen Wissenschaftern hergestellter Diamant - Quanteninformation über acht Stunden hinweg zu behalten. In der Welt der Quantenphysik, aber auch in der Computertechnologie ist das quasi ein biblisches Alter. Denn auch in herkömmlichen Computerchips kommt die Energie innerhalb von einigen hundert Millisekunden abhanden, "danach muss die Information neu aufgefrischt werden", so Majer.

"Wunderbare Ergebnisse"

Angesichts der "wunderbaren Ergebnisse" gingen die Forscher dem Phänomen auch noch in Computersimulationen nach. Hier zeigte sich, dass das besonders steife Diamantgitter für die hohe Haltbarkeit der Information verantwortlich ist. "Während in anderen Materialien Gitterschwingungen relativ rasch dazu führen könnten, dass die gespeicherte Information verloren geht, ist die Kopplung der Quanteninformation an die Gitterschwingungen im Diamanten recht gering, und die Energie kann über Stunden gespeichert werden", sagte Astner.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/s41563-017-0008-y

(APA/red, Foto: APA/Philip Blair)


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