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Schutz von Spin-Qubits vor externem Rauschen

30.10.2018

Forscher aus Deutschland haben die Abschirmung von elektrischem und magnetischem Rauschen umfassend untersucht, um effizientes Quantencomputing mit Spin-Qubits durchzuführen.

Professor Guido Burkard und sein Team aus Physikern der Universität Konstanz haben ein theoretisches Konzept zur Quanteninformationsverarbeitung entwickelt. Sie fanden einen Weg, elektrisches und magnetisches Rauschen für kurze Zeit abzuschirmen. Dadurch wird es möglich, Spins als Speicher auf Quantencomputern zu nutzen: Ihre Kohärenzzeit verlängert sich, und in dieser Zeit können viele tausend Rechenoperationen durchgeführt werden.

Die technologische Vision für die Entwicklung eines Quantencomputers hängt nicht nur von Informatik und Informationstechnologie ab. Das neue Verständnis der theoretischen Physik wirkt sich auch auf den Fortschritt der praktischen Umsetzung aus. Jeder Computer oder jedes Kommunikationsgerät enthält Informationen, die in physische Systeme eingebettet sind.

Im Rahmen der Quantencomputerentwicklung stehen Spin-Qubits und ihre magnetischen Eigenschaften im Mittelpunkt. Um Spins als Speicher in Quantentechnologien zu nutzen, muss man sie aneinanderreihen, sonst lassen sie sich nicht in der notwendigen Weise kontrollieren.

Auf dieses Problem stoßen Physiker bei der Arbeit mit elektrischen Feldern, wo mehrere Elektronen – in diesem Fall vier – ein Quantenbit bilden. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, dass Wissenschaftler mit Elektronenspins zu tun haben, die wiederum sehr empfindlich und zerbrechlich sind. Auch in Siliziumfestkörpern reagieren sie auf äußere Einflüsse durch elektrisches oder magnetisches Rauschen. Diese Forschung konzentriert sich auf theoretische Modelle und die Berechnung, wie Quantenbits von diesem Rauschen abgeschirmt werden können – eine wichtige Ergänzung zur Mainstream-Forschung für einen Quantencomputer. Selbst wenn das Rauschen kurzzeitig isoliert wird, lassen sich in diesen Sekundenbruchteilen Tausende von Computeroperationen durchführen – zumindest theoretisch.

Als nächstes werden Konstanzer Physiker mit ihren Kollegen experimentell arbeiten, um die Theorie zu überprüfen. Zum ersten Mal werden diese Tests vier statt drei Elektronen umfassen, die möglicherweise von den Princeton-Partnern verwendet werden könnten. Während die Physiker in Constanta den theoretischen Hintergrund liefern, übernehmen ihre Kollegen in den USA den experimentellen Teil der Arbeit.

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Die Idee, Energie aus Graphen zu gewinnen, ist höchst umstritten, da sie die bekannte Behauptung von Richard Feynman widerlegt, dass die thermische Bewegung von Atomen (bekannt als Brownsche Bewegung) keine nützliche Arbeit leisten kann. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die thermische Bewegung von Graphen bei Raumtemperatur tatsächlich einen Wechselstrom im Stromkreis verursacht, was unmöglich schien.

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