Die spinnen, die Quantencomputer Wie funktioniert ein Spin-Quantenrechner?

Anbieter zum Thema

DAXTEN GmbH

Fsas Technologies GmbH

DeRZ - Deutsche Rechenzentren GmbH

Spin-Quantencomputer haben gegenüber anderen Basistechnologien einen großen Vorteil: Sie brauchen zum Arbeiten keine Tiefsttemperaturen. Das macht sie reizvoll für den praktischen Einsatz.

Heute gibt es verschiedene Basistechnologien, auf denen sich Quantencomputer aufbauen lassen. Eine davon ist der Spin. Daneben gibt es photonische Quantencomputer, auf neutralen Atomen oder Ionenfallen basierende und supraleitende Quantencomputer. Dazu kommen adiabatische Quantenrechner, so genannte Digital Annealer.

Es ist nicht klar, ob und welche dieser Technologien sich durchsetzt. Es könnten auch durchaus weitere neue dazukommen.

Was ist eigentlich Spin?

Beim Spin-Quantencomputer muss als erstes erklärt werden, was der Spin ist. Diese Eigenschaft kleinster subatomarer Teilchen und Systeme bezeichnet eine Art Eigendrehimpuls, allerdings auf der Quantenebene.

Das bewirkt einige Unterschiede zum Spin auf der Ebene der klassischen Mechanik: So können punktförmig gedachte Teilchen, etwa Photonen oder Elektronen, einen Spin besitzen, obwohl ihnen das aus der klassischen Physik bekannte Trägheitsmoment fehlt. Und seltsamerweise gibt es Spin-Teilchen, die sich zweimal um sich selbst drehen müssen, um den Ausgangszustand zu erreichen.

Teilchen, auf die letzteres zutrifft, heißen Fermionen. Sie haben einen Spin von ½, dazu weiter unten mehr. Teilchen mit ganzzahligem Spin heißen Bosonen.

Spin und Planck`sches Wirkungsquantum

Es gibt aber auch Gemeinsamkeiten mit bekannten physikalischen Welten: Wie in der klassischen Physik hat der Spin einen Betrag und eine Richtung. Er ist also ein Vektor. Beide können, wie üblich auf der Quantenebene, nur bestimmte Werte annehmen.

Natur macht nämlich in der Quantenwelt durchaus Sprünge. Deren 'Weite' entspricht ganz- oder halbzahligen Vielfachen des Planck`schen Wirkungsquantums.

Spin und Spinquantenzahl

Dabei bezeichnet die Spinquantenzahl s, den Multiplikator, mit dem das Planck`sche Wirkungsquantum multipliziert werden muss, um den physisch korrekten Wert des Spin zu ermitteln. Man nennt die Spinquantenzahl s meist etwas schlampig Spin statt des Ergebnisses der Multiplikation. Je nach der Drehrichtung ist die Spinquantenzahl positiv oder negativ.

Wegen weiterer Eigenheiten ergeben sich bei einem Spin von +-½ nur zwei Richtungswerte. In der Quantenphysik werden sie als Up und Down bezeichnet und mit Pfeilen in die entsprechende Richtung dargestellt.

Spin verbiegt Spektrallinien

Zum Spin kommt der quantenmechanische Bahndrehimpuls. Beide zusammen bilden den Gesamtdrehimpuls. Sie bewirken einen so genannten magnetischen Moment eines atomaren Teilchens.

Anhand dieses magnetischen Moments hat man Spin mit Hilfe von Spektrallinien erstmals nachgewiesen. Denn sie verbiegen sich unter dem Einfluss von Elektronen- und Kernspins leicht. Das nutzt man zum Beispiel bei der Kernspintompgraphie. Bei zusammengesetzten Teilchen werden die Spins aller Teilchen aufaddiert, was zu großen Spinwerten führt.

Der Spin und die Spin-Quantencomputer

Grob gesagt, nutzt man bei Spin-Quantencomputern die Eigenschaften des Spin aus. In heutigen Geräten dieser Bauart werden in ein Diamant-Kristallgitter Stickstoff-Atome eingebracht, die ein C-Atom ersetzen. Dadurch entsteht eine Fehlstelle.

Wird diese angeregt, entsteht ein aus einer freibleibenden Bindungsstelle des Stickstoffs sowie den umliegenden Kohlenstoff-Atomen resultierender Spin, der sich für eine gewisse Zeit stabilisieren lässt. Das ist die Basis für die Superposition.

Aus Fehlstellen werden Qubits

Jede dieser Fehlstellen in ihrer Gesamtheit ist ein Qubit. Sie lassen sich heute mittels verschiedener Verfahren, die stetig weiterentwickelt werden, relativ gezielt in das Diamantsubstrat einbringen. Mehrere Qubits kann man nach Anregung über die Kohlenstoffatome vorübergehend koppeln, was es möglich macht, Algorithmen zu rechnen.

Diese Technologie braucht keine Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt. Quantum Brilliance, ein deutsch-australischer Pionier der Spin-Technologie spricht sogar von Zimmertemperatur. Das würde die Anwendung der Technologie immens vereinfachen und ihre Anwendung erleichtern.

Deutschland engagiert sich mit 'Spinning' bei Spin-Quantencomputern

Wegen der vielversprechenden Perspektiven engagiert sich Deutschland erheblich auf diesem Gebiet. So forscht daran das Verbundprojekt 'Spinning'. An ihm sind neben Quantum Brilliance Fraunhofer IAF (Institut für Angewandte Festkörperphysik), Fraunhofer IISB (Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie), FZ Jülich, KIT (Karlsruher Institut für Technologie), die Universitäten Heidelberg, Konstanz, Stuttgart, Ulm und die TU München beteiligt.

Dazu kommen einige Hersteller. Diamond Materials etwa arbeitet im Rahmen des Projekts an polykristallinen Diamant-Wafern mit monolithisch eingewachsenen Einkristallen, damit wie in der IT üblich bei der Produktion mit Wafern gearbeitet werden kann. Nvision entwickelt ein Quanten-Hardware-Testzentrum. Schließlich gibt es noch assoziierte Partner.

Die ersten Spin-Quantencomputer mit bisher zwei Qubit sind bereits installiert, beispielsweise beim Fraunhofer-Institut für Festkorperphysik (IAF). Als nächste Stufe sollen fünf, dann 25 Qubit folgen.

(ID:50590423)