Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer

Forschern gelingt Trennung von verschränkten Elektronen durch den Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhren

16.02.2010 - Deutschland

Nach den theoretischen Grundsätzen der Quantenmechanik können zwei mikroskopisch kleine Objekte miteinander verschränkt sein. In diesem Fall sind beide Objekte auf komplexe Art und Weise verbunden, wobei diese Verbindung unter gewissen Umständen auch dann bestehen bleibt, wenn die beiden Objekte räumlich voneinander getrennt werden. Es ist möglich, nach einer solchen Trennung das eine Objekt derart zu stören, dass dies beim anderen messbar ist. Da die beiden Objekte dabei keine Information mehr untereinander austauschen, scheinen die Teilchen den Messprozess des jeweils anderen bereits vor dessen Eintreten zu kennen. Es zeigt sich also, dass die Werte der Messungen für die beiden Teilchen trotz der räumlichen Trennung streng korreliert bzw. aufeinander bezogen sind.

Dieser - nach den Physikern Einstein, Podolski und Rosen - so genannte EPR-Effekt wurde auf dem Gebiet der Informations- und Kommunikationstechnologie schon frühzeitig herangezogen, um Theorien darüber aufzustellen, wie sich diese seltsame Wechselwirkung verschränkter Teilchen für die Übermittlung und Verschlüsselung von Daten nutzen lassen könnte. Der experimentelle Nachweis von miteinander verschränkten Photonen bzw. Lichtteilchen gelang bereits in den 1980er Jahren in den Bell Laboratorien in den USA. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist aber eine stärkere Wechselwirkung erforderlich, die viel eher zwischen Elektronen als zwischen Photonen möglich ist. Von besonderem Interesse wäre die Verschränkung von Elektronen in einem Festkörper, die sich aber bislang noch nicht ausreichend experimentell nachweisen ließ.

In diesem Zusammenhang ist einem internationalen Forscherteam, an dem neben Prof. Dr. Christoph Strunk und Lorenz Herrmann vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg auch Forscher aus Frankreich und Spanien beteiligt waren, ein bedeutender Schritt in die richtige Richtung gelungen. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass sich quantenmechanisch verschränkte Elektronen in Festkörpern räumlich voneinander trennen lassen. Für ihre Arbeit griffen die Forscher auf Kohlenstoff-Nanoröhren zurück. Im Rahmen ihrer Experimente ließen die Forscher verschränkte Elektronen - so genannte Cooper-Paare - über eine Supraleiter-Brücke fließen, bis diese eine Kohlenstoff-Nanoröhre erreichten, die dann als elektronisches Äquivalent eines Strahlenteilers diente. In verschiedenen Fällen trennten sich daraufhin die Elektronen und wurden zu den unterschiedlichen Messpunkten geleitet. Der experimentelle Nachweis des EPR-Effekts, also die Bestätigung darüber, dass die experimentell getrennten Elektronen trotz der räumlichen Distanz weiterhin verschränkt sind, steht nun auf der Agenda des Forscherteams. Derzeit wird global an diesem experimentellen Nachweis gearbeitet, der einen herausragenden Durchbruch in der Quantenphysik darstellen würde. Die Gruppe um den Regensburger Physiker Prof. Strunk liegt dabei sehr gut im Rennen.

Die Nutzung des Effekts der Quantenverschränkung ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Quantencomputern und neuen Kommunikationstechnologien, wobei die Anwendungen in Festkörpern einfacher in elektronische Schaltkreise zu integrieren sein dürften. Quantencomputer sind derzeit noch hypothetische Rechner, die aber in der Lage wären, komplexe Rechenoperationen in einem Bruchteil der Zeit eines herkömmlichen Computers zu erledigen. Die jüngsten Ergebnisse des internationalen Forscherteams bieten darüber hinaus vielfältige Perspektiven für die Analyse quantenmechanischer Effekte in Festkörper-Systemen.

Originalveröffentlichung: L. G. Herrmann, F. Portier, P. Roche, A. Levy Yeyati, T. Kontos, and C. Strunk; "Carbon Nanotubes as Cooper-Pair Beam Splitters"; Physical Review Letters 104, 026801 (2010)

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