Gesundheit: Wie man mit Quanten rechnen kann

Computer werden immer schneller und können immer größere Datenmengen verarbeiten. Bei der Miniaturisierung von Halbleiterchips, den bisherigen Grundbausteinen des Computers, ist man jetzt aber fast an die physikalische Grenze gelangt, an der die Schaltkreise nicht mehr kleiner werden können.

Einen Ausweg aus dem Dilemma versprechen Quantencomputer. Diese Rechensysteme arbeiten mit Eigenschaften kleinster Teilchen wie Atomen oder Elektronen. So könnten Rechenoperationen viel schneller und in viel größerer Zahl durchgeführt werden, als es mit klassischen Computern möglich ist.

„Das Problem besteht darin, Zustände im Quantenbereich bestimmen zu können“, sagt Klaus Lips, Physiker am Hahn-Meitner-Institut (HMI). Gemeinsam mit Berliner Kollegen und Forschern der TU München sowie der amerikanischen Universität von Utah ist ihm nun ein Durchbruch gelungen. Wie im Fachjournal „Nature Physics“ (Heft 12, Seite 835) dargelegt, konnten die Physiker in einer aus Silizium und Phosphor aufgebauten Schicht den magnetischen Zustand von Atomkernen bestimmen. Quanteninformationen wären somit verfügbar.

Quantenzustände zu messen, das hält Forscher weltweit in Atem. Quantenbits (Qbits) können nämlich als Überlagerung verschiedener Zustände auftreten. Bei mehreren Qbits steigt die Zahl möglicher Kombinationen stark an, bei 32 Qbits etwa auf vier Milliarden. So ließen sich Quantencomputer für Probleme verwenden, bei denen heutige Rechner überfordert sind, etwa für das Knacken von Verschlüsselungscodes.

Doch alles steht und fällt damit, den Quantenzustand am Ende des Rechenprozesses bestimmen zu können. „Winzige Defekte zerstören den Zustand sehr schnell“, sagt Lips. Daher suchten die Forscher nach Qbits, die lange genug, sekunden-, ja minutenlang, überleben könnten, um damit rechnen zu können.

Ihre weltweit einmalige Methode, die das leisten kann, entwickelten die Forscher bei der Prüfung von Material für Solarzellen. Am HMI-Institut für Photovoltaik suchten sie nach Fehlern im Aufbau der Siliziumkristalle. Zur Qbit-Bestimmung nutzen sie den Spin, den Elektronen aber auch Atomkerne haben. Diese verhalten sich wie kleine Stabmagnete. „Der Kernspin steht parallel oder antiparallel zu einem äußeren Magnetfeld“, erklärt Lips. Doch dieser Effekt ist so klein, dass er kaum messbar ist.

Der Trick besteht nun darin, den magnetischen Effekt des Phosphorkerns mit dem des Elektrons zu koppeln. Mit Magnetfeldern und Impulsen aus Mikrowellenstrahlen gelang dies. Die Messung des Stroms, der durch einen mit Phosphoratomen versetzten Siliziumkristall fließt, gab Informationen über den magnetischen Zustand der Phosphorkerne und -elektronen. „Derzeit benötigen wir noch die Elektronen von 100 000 Phosphoratomen, um ein Signal zu messen“, sagt der HMI-Physiker. In einigen Jahren will er den magnetischen Zustand eines einzigen Phosphoratomkerns ablesen können. Damit rückte der Quantencomputer in greifbare Nähe.

Paul Janositz