Diamanten sind der beste Freund des Quantencomputers
Die Quanten-Datenverarbeitung, die Quantenverschränkung, Überlagerung und Qubits verwendet, wird ungeahnte Rechenleistung und interessante neue Geräte ermöglichen. EU-finanzierte Wissenschaftler haben das Projekt "Exploring quantum entanglement using spins in diamond" (EQESD) ins Leben gerufen, um ein neuartiges experimentelles System zur Untersuchung der Quantenverschränkung auf große Entfernung zu entwickeln – ein Feld, das zum Zeitpunkt des Projektvorschlags noch in den Kinderschuhen steckt. Das experimentelle Paradigma wird schnelle Fortschritte in Richtung der großangelegten Quanten-Datenverarbeitungsprotokolle der Zukunft erlauben.Quantensysteme mit zwei möglichen Zuständen können verwendet werden, um Informationen auf ähnliche Weise darzustellen wie die Bits 0 und 1. Doch durch Überlagerung der beiden Zustände kann das System zwei Zustände gleichzeitig annehmen, was für das Qubit charakteristisch ist. Eine unbegrenzte Anzahl möglicher Zustände bilden zusammen mit Quantenverschränkung (subtile, non-lokale Korrelationen zwischen den Teilen des Systems) die Grundlage für erheblich leistungsfähigere Informationsverarbeitung, als derzeit möglich ist. In EQESD wurde eine besondere Art von Defekt bei Diamanten genutzt, die Stickstoffvakanz-Zentren, deren Elektronenspins gesteuert werden können und die Photolumineszenz aufweisen. Das Ziel bestand darin, die Quantenverschränkung zwischen einem einzelnen Spin und einem einzelnen Photon sowie zwischen zwei Spins zu untersuchen.Das Team regte optisch ein Stickstoffvakanz-Zentrum in einer Überlagerung der Spinzustände an, und verursachte so, dass es spontan ein Photon freisetzte, das mit dem Spin des Stickstoffvakanz-Zentrums verschränkt war. Für die Erzeugung und Erkennung der Verschränkung war hervorragende Steuerung und Messung der einzelnen Spins erforderlich – Verfahren, deren Entwicklung zu zwei Veröffentlichungen in fachlich geprüften, wissenschaftlichen Fachzeitschriften führte.Um einen Meilenstein des einjährigen Projekts handelte es sich womöglich bei der Demonstration des Potenzials der Qubit-Steuerung über Initialisierung, kohärente Manipulation und Einzelschussauslesung in einem einzigen Experiment mit einem Zwei-Qubit-Register. Dieses Ergebnis wurde im Nature-Magazin veröffentlicht. Ein herkömmliches Zwei-Bit-Register kann zu jedem Zeitpunkt nur einen von vier Zuständen darstellen (00, 01, 10 und 11), wohingegen ein Zwei-Qubit-Register alle vier Werte gleichzeitig speichern kann. Die tatsächliche Rechenleistung wird sichtbar, sobald die Anzahl der Qubits erhöht wird, da die Speicherkapazität exponentiell mit der Qubitanzahl steigt. Während der kurzen Laufzeit von nur einem Jahr konnten die EQSD-Mitglieder erfolgreich demonstrieren, dass Stickstoffvakanz-Zentren in Diamanten über das Potenzial verfügen, die Bausteine für großangelegte Quanten-Datenverarbeitungsprotokolle zu bilden.
