Quantenverschränkung in Silizium: Phosphor-Kerne über 20 Nanometer gekoppelt

Quantenverschränkung – von Albert Einstein einst als „spukhafte Fernwirkung“ abgetan – beflügelt seit Langem die Vorstellungskraft der Öffentlichkeit und bringt selbst erfahrene Forschende ins Grübeln.

Für heutige Praktikerinnen und Praktiker der Quantenphysik ist das Phänomen jedoch deutlich weniger mystisch: Verschränkung ist eine spezielle Art von Kopplung zwischen Teilchen – und zugleich das zentrale Merkmal von Quantencomputern.

Auch wenn diese Maschinen noch am Anfang stehen, ist es gerade die Verschränkung, die ihnen Fähigkeiten eröffnen soll, die klassische Rechner nicht besitzen. Dazu zählt etwa, natürliche Quantensysteme wie Moleküle, Arzneimittelwirkstoffe oder Katalysatoren realistischer zu simulieren.

In einer neuen Arbeit, die heute in der Zeitschrift Science erschienen ist, haben meine Kolleginnen und Kollegen und ich Quantenverschränkung zwischen zwei Atomkernen nachgewiesen, die rund 20 Nanometer voneinander entfernt sind.

Das klingt zunächst nach einer geringen Distanz. Doch der von uns eingesetzte Ansatz ist sowohl praktisch als auch konzeptionell ein Durchbruch – und er kann helfen, Quantencomputer auf Basis eines der präzisesten und zuverlässigsten Systeme zum Speichern von Quanteninformation zu bauen.

Kontrolle und Rauschen in Einklang bringen

Für Ingenieurinnen und Ingenieure im Quantencomputing besteht die zentrale Aufgabe darin, zwei gegensätzliche Anforderungen auszubalancieren.

Einerseits müssen die empfindlichen Rechenelemente vor äusseren Störungen und Rauschen geschützt werden. Andererseits braucht es eine Möglichkeit, mit ihnen zu interagieren, um tatsächlich sinnvolle Berechnungen auszuführen.

Genau deshalb konkurrieren bis heute so viele unterschiedliche Hardware-Ansätze darum, den ersten wirklich funktionsfähigen Quantencomputer bereitzustellen.

Einige Plattformen erlauben sehr schnelle Operationen, sind aber stärker von Rauschen betroffen. Andere sind hervorragend gegen Störungen abgeschirmt, lassen sich dafür jedoch schwer bedienen und nur mühsam skalieren.

Wie Atomkerne miteinander „sprechen“ lernen

Mein Team arbeitet an einer Plattform, die – bis heute – eher zur zweiten Kategorie gezählt hätte. Wir implantieren Phosphoratome in Siliziumchips und nutzen den Spin der Atomkerne, um Quanteninformation zu kodieren.

Damit ein Quantencomputer praktisch nutzbar wird, müssen viele Atomkerne gleichzeitig angesprochen werden können. Bislang liess sich mit mehreren Atomkernen nur arbeiten, indem man sie in einem Festkörper sehr dicht zusammen positionierte, sodass sie von einem einzelnen Elektron „umgeben“ werden konnten.

Üblicherweise stellt man sich ein Elektron als viel kleiner als den Atomkern vor. Die Quantenphysik zeigt jedoch, dass es sich räumlich „ausbreiten“ kann – und dadurch mit mehreren Atomkernen gleichzeitig wechselwirkt.

Trotzdem ist die Reichweite, über die sich ein einzelnes Elektron ausdehnen kann, begrenzt. Zudem wird es sehr anspruchsvoll, jeden einzelnen Kern separat zu steuern, sobald mehrere Kerne an dasselbe Elektron gekoppelt sind.

Elektronische „Telefone“, um entfernte Kerne zu verschränken

Man kann es so ausdrücken: Bisher waren Atomkerne wie Menschen in schalldichten Räumen. Sie können miteinander sprechen, solange sie alle im selben Raum sind – und die Gespräche sind dabei sehr klar.

Von draussen hören sie jedoch nichts, und ausserdem passen nur begrenzt viele Personen in einen Raum. Deshalb lässt sich diese Art der Kommunikation nicht sinnvoll hochskalieren.

In unserer neuen Arbeit ist es, als hätten wir den Menschen Telefone gegeben, um auch mit anderen Räumen zu kommunizieren. Innen bleibt jeder Raum ruhig und störungsarm, aber nun können viel mehr Personen miteinander sprechen – selbst über grössere Entfernungen.

Diese „Telefone“ sind Elektronen. Weil sie sich im Raum ausdehnen können, können zwei Elektronen auch über eine beachtliche Distanz hinweg „Kontakt“ miteinander haben.

Wenn zudem jedes Elektron direkt an einen Atomkern gekoppelt ist, können die Kerne über die Wechselwirkung der Elektronen miteinander kommunizieren.

Wir haben diesen Elektronenkanal genutzt, um Quantenverschränkung zwischen den Kernen zu erzeugen – mithilfe einer Methode namens „geometrisches Gate“, die wir bereits vor einigen Jahren eingesetzt haben, um hochpräzise Quantenoperationen mit Atomen in Silizium durchzuführen.

Nun konnten wir – erstmals in Silizium – zeigen, dass sich dieser Ansatz über Kernpaare hinaus skalieren lässt, die am selben Elektron hängen.

Kompatibel mit integrierten Schaltkreisen

In unserem Experiment lagen die Phosphorkerne 20 Nanometer auseinander. Falls das immer noch nach wenig klingt: Das ist es auch – zwischen den beiden Phosphoratomen befinden sich weniger als 40 Siliziumatome.

Gleichzeitig ist das genau die Grössenordnung, in der alltägliche Siliziumtransistoren gefertigt werden. Quantenverschränkung im Massstab von 20 Nanometern bedeutet, dass wir unsere langlebigen, gut abgeschirmten Kernspin-Qubits in die bestehende Architektur standardisierter Siliziumchips integrieren können – so wie sie in Smartphones und Computern stecken.

Für die Zukunft stellen wir uns vor, die Verschränkungsdistanz weiter zu erhöhen, weil sich Elektronen physikalisch verschieben oder in stärker gestreckte Formen „zusammendrücken“ lassen.

Unser jüngster Durchbruch führt dazu, dass Fortschritte bei elektronbasierten Quantensystemen auf den Aufbau von Quantencomputern übertragen werden können, die langlebige Kernspins nutzen, um zuverlässige Berechnungen auszuführen.

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

Dieser Artikel wurde aus The Conversation unter einer Creative-Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.