Gedächtniseffekt auf Einzelatom-Ebene

06.11.2019 - Deutschland

Eine internationale Forschungsgruppe hat an einem künstlichen Riesenatom neue Quanteneigenschaften beobachtet. Das untersuchte Quantensystem weist offenbar ein Gedächtnis auf – eine neue Erkenntnis, die man für den Bau eines Quantencomputers nutzen könnte.

Die Forschergruppe aus deutschen, schwedischen und indischen Wissenschaftlern hat ein künstliches Quantensystem untersucht und dabei neue Eigenschaften gefunden. Die Experimente wurden an der Chalmers University of Technology (Schweden) durchgeführt und die Theorie von Dr. Lingzhen Guo vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) in Erlangen berechnet. Der gemessene Effekt konnte bisher nie an einem einzigen Quantensystem beobachtet werden.

Das Riesenatom, das an einer Antenne befestigt ist, ist aus supraleitfähigen Schleifen aufgebaut – den so genannten Qubits, dem Quantencomputeranalogon zum Bit in einem klassischen Computer. Die Wissenschaftler konnten das Riesenatom aufgrund seiner Größe mit akustischen Wellen anregen. Dieses „Erdbeben auf Nanoebene“ verändert den Energiezustand des Systems. Beim Freisetzen der aufgenommenen Energie beobachtete das Team ein erstaunliches Phänomen.

Während ein normales Atom seine Energie schnell wieder abgibt, nachdem es angeregt wurde, reagiert das riesige künstliche Atom ganz anders: Es scheint über ein Gedächtnis zu verfügen. Lingzhen Guo aus der Abteilung von Florian Marquardt am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts fasst die Beobachtung zusammen: „Erst flacht das Energielevel ab, nur um kurze Zeit darauf wieder lebendig zu werden und einen weiteren Energieschub abzugeben. Das ist ein Zeichen dafür, dass das Riesenatom mit seiner Umwelt interagiert.“

Riesenatome als Quantencomputer-Bauteile

Wenn es gelingt, mehrere Riesenatome miteinander zu verknüpfen, könnte man sie zum Bau eines Quantencomputers verwenden. Diese in der Theorie unvorstellbar leistungsfähigen Rechner haben das Potenzial, die Computertechnologie zu revolutionieren. Es wird vermutet, dass die intrinsische zeitverzögerte Rückkopplung von Riesenatomen genutzt werden könnte um Clusterzustände für universelle messtechnische Quantenberechnung zu erzeugen, für die wesentlich weniger Hardware-Ressourcen benötigt werden als für gate-basierte Ansätze.

Der Leiter des internationalen Teams Prof. Per Delsing von der Chalmers University Schweden arbeitet hauptsächlich auf dem Gebiet der künstlichen Atome und Superconducting qubits, mit dem Ziel, einen Quantencomputer zu konstruieren.