Die faszinierende Welt der Quanten

kleinen Objekten zu tun hat, fällt jede Störung ins Gewicht. Die Atome müssen extrem tief gekühlt sein, damit ihre Eigenbewegung keine Rolle mehr spielt. Außerdem stören schon kleinste Vibrationen – die Innsbrucker Forscher haben sich deshalb beim Neubau ihres Institutsgebäudes einen riesigen, gummigelagerten Betonklotz im Keller installieren lassen, der einen darauf fixierten Experimentiertisch von sämtlichen Vibrationen isoliert.
    Wie funktioniert eine Ionenfalle in der Praxis? Zunächst gilt es, einige wenige Ionen zu isolieren. Da sie eine elektrische Ladung besitzen, kann man sie mit Hilfe elektrischer Felder festhalten. Sie sitzen dann wie auf einer Perlenschnur aufgereiht im Vakuum der Apparatur. Bevor man ins Quantenregime kommt, muss man ihnen aber auch noch den größten Teil ihrer Bewegungsenergie abnehmen.
    Dazu benutzen die Forscher verschiedene Verfahren, die in unterschiedlichen Temperaturbereichen funktionieren. Im untersten Bereich hilft dann nur noch die so genannte Dopplerkühlung, bei der den Teilchen mit genau abgemessenen Stößen durch Photonen ein Teil ihres Impulses entzogen wird.

    Bild 27: Im Inneren dieser Vakuumapparatur fangen die Innsbrucker Quantenphysiker Ionen ein
    Erst beim winzigsten Teil eines Kelvin sitzen die Ionen so ruhig in der Falle, dass man sie in eine gemeinsame Anregung versetzen kann – auch dabei kommt wieder ein Laser zum Einsatz. Dessen Frequenz muss zu den Eigenschaften der Ionen passen. Auf diese Weise ist den Innsbrucker Forschern gelungen, immerhin 14 Ionen miteinander zu verschränken – das ist derzeit noch Weltrekord.
    Kein anderes Verfahren kommt dem derzeit nahe. Auch, was die Güte und Vielfalt der auf Ionenfallen möglichen Quanten-Operationen betrifft, liegen derartige Systeme weit vorn.

    Bild 28: Den Innsbrucker Forschern gelang es, 14 Kalzium-Atome als Qubits in einer Ionenfalle zu verschränken
Stromkreise und Quantenpunkte
    Für eine praktische Umsetzung könnte sich allerdings als ungünstig erweisen, dass man eine größere Apparatur braucht, um Ionen im Vakuum schweben zu lassen. Die Ionenfallen sind gewissermaßen die Elektronenröhren der Quanten-Computer: Alle Hoffnung ruht darauf, diese irgendwann durch eine Art von Transistoren, also festkörperbasierte Systeme, ersetzen zu können.
    Es ist kein Zufall, dass sich ausgerechnet Forscher des Chipherstellers IBM intensiv mit dieser Technik befassen: Hier kennt man sich besonders gut mit den zur Fertigung kleinster Strukturen nötigen Techniken aus. Außerdem sucht IBM bereits jetzt nach einer Ablösung für den klassischen Transistor , der bereits bei Strukturgrößen von nur 22 Nanometern angekommen ist – es dauert nicht mehr lange, bis die Techniker hier mit Schichten aus einzelnen Atomen hantieren müssten.
    Ein Festkörper-Quantencomputer lässt sich zum Beispiel mit Hilfe der Supraleitung umsetzen. Bei sehr tiefen Temperaturen verlieren Stoffe ihren elektrischen Widerstand: Strom kann also verlustlos fließen. Als Qubit dient den Forschern nun ein supraleitender Stromkreis, den Strom in der einen Richtung (Bit = 1) oder in der entgegengesetzten Richtung (Bit = 0) durchfließen kann. Im Quantenregime überlagern sich die Stromflüsse in beide Richtungen, der Strom fließt also links- und rechtsherum gleichzeitig. Eine IBM-Gruppe um den Deutschen Matthias Steffen hat mit dieser Methode Anfang 2012 seht gute Erfolge erzielt. Ihr Quanten-Computer besteht aus drei Qubits, die aus zwei supraleitenden Elektroden aus Niob und einem Isolator aus Aluminiumoxid konstruiert sind und auf einer Siliziumunterlage sitzen.
    Das komplette System funktioniert zwar nur bei einer Temperatur von einem Hundertstel Kelvin, aber die Kühltechnik beherrschen die Forscher inzwischen sehr gut. Auf diese Weise gelang es ihnen nun, die Verschränkung so lange stabil zu halten, dass sich mit den Qubits auch rechnen ließe. Das ist ab zehn bis 100 Millionstel Sekunden der Fall.

    Bild 29: Der einsatzbereite Quantenchip der IBM-Forscher
    Ein Festkörper-Quantencomputer dieser Art besteht nicht aus einzelnen Ionen oder Photonen, sondern gleich aus Milliarden winziger Elektronen, die bei extrem tiefen Temperaturen ohne Widerstand durch den Stromkreis flitzen – im Grunde ein sehr komplexes System, das leider zu sehr schneller Dekohärenz neigt. Insofern ist den Wissenschaftlern hier ein spannender Erfolg gelungen. Im nächsten Schritt wollen sie nun daran gehen, von zwei oder drei Qubits zu größeren Systemen