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23. Mai 2018

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Neue Forschungsansätze bei Quantentechnologie

Neue Forschungsansätze bei Quantentechnologie© TU Wien

Information in einem Quantensystem abzuspeichern ist schwer, sie geht meist rasch verloren. An der TU Wien erzielte man nun ultralange Speicherzeiten mit winzigen Diamanten.

Mit Quantenteilchen kann man Information speichern und manipulieren und das ist die Basis für viele vielversprechende Technologien, vom hochsensiblen Quanten-Sensor über Quanten-Kommunikation bis zum Quanten-Computer. Ein großes Problem dabei ist allerdings, dass es sehr schwierig ist, in einem quantenphysikalischen System Information über lange Zeit zu speichern. Durch Wechselwirkungen mit der Umgebung geht die Quanteninformation oft schon nach Sekundenbruchteilen unwiederbringlich verloren.
An der TU Wien gelang es nun mit Hilfe spezieller Diamanten, Quanteninformation über Stunden zu konservieren. Damit ist diese Art der Quanteninformation sogar stabiler als die klassische Information, die im Arbeitsspeicher unserer Computer gespeichert ist. Die Forschungsergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Materials“ veröffentlicht.

Diamanten mit Defekt
„Wir verwenden winzige Diamanten, die ganz gezielt mit kleinen Defekten versehen wurden“, erklärt Johannes Majer, Forschungsgruppenleiter am Atominstitut der TU Wien. Normalerweise besteht ein Diamant nur aus Kohlenstoffatomen. Durch Bestrahlung des Diamanten kann man aber erreichen, dass an bestimmten Stellen statt eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom in die Diamantstruktur eingebaut wird, und daneben bleibt dann eine Stelle im Kristallgitter unbesetzt. Solche „Gitterfehler“ bezeichnet man als NV-Zentren (N für Stickstoff und V für die vakante Gitterstelle). Das Stickstoffatom und die Fehlstelle können unterschiedliche Zustände annehmen und so können diese Gitterfehler-Stelle verwenden werden um ein Quantenbit an Information abzuspeichern.
Nicht alle Diamanten mit Defekten weisen jedoch genau dieselbe Speicherzeit auf: Rekordhalter ist ein spezieller Diamant, der vom Team um Junichi Isoya an der Tsukuba Universität in Japan hergestellt wurde. Über mehrere Monate wurde er mit Elektronen bestrahlt, um möglichst viele NV-Defekte zu erzeugen ohne dabei andere störende Effekte hervorzurufen. In diesem Diamanten konnte eine Quanten-Speicherzeit von 8 Stunden gemessen werden. „Diese wunderbaren Ergebnisse waren für uns anfangs kaum zu glauben“, so Majer.
Man ging dem Phänomen daher durch Computersimulationen auf den Grund. Johannes Gugler und Peter Mohn (ebenfalls TU Wien) führten aufwändige Berechnungen durch und konnten erklären, dass die außerordentliche Stabilität der Diamant-Quantenspeicher auf das besonders steife Diamantgitter zurückzuführen 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“, erläutert Thomas Astner von der TU Wien.

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red, Economy Ausgabe Webartikel, 15.02.2018