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Stabile Quantenbits - Experiment bestätigt Modell des Dortmunder Physikers Uhrig

05.05.2009 - (idw) Technische Universität Dortmund

Bereits 2007 hat Prof. Dr. Götz S. Uhrig, Physiker an der TU Dortmund, eine Methode ersonnen, wie die fragilen Zustände von Quantenbits möglichst lange stabil gehalten werden können. Seine theoretisch in Formeln beschriebene Optimierung konnte bislang jedoch noch nicht experimentell bestätigt werden. Jetzt haben amerikanische Wissenschaftler das Modell ihres Dortmunder Kollegen im Experiment überprüft. In der neusten Ausgabe von Nature berichten sie, wie sie mit Hilfe einer von Uhrig errechneten Folge von Laserpulsen gezielt angeregte Zustände in Atomkernen über einen wesentlichen längeren Zeitraum als bisher möglich aufrecht erhalten konnten. Der Computer der Zukunft wird ein Quantencomputer sein. Im Gegensatz zu den heutigen Computern, die jedes Bit der Reihe nach abarbeiten, wird er in der Lage sein, mit denselben Quantenbits mehrere Rechenoperationen gleichzeitig auszuführen - und damit erheblich schneller sein. Denn anders als die Bits, die in heutigen Computer nur die Zustände "null" und "eins" kennen, können die Quantenbits unendlich viel mehr Zustände einnehmen. Was theoretisch in der Quantenwelt der kleinsten Teilchen möglich ist, sieht sich in der Praxis jedoch mit Problemen konfrontiert. So haben die Wissenschaftler zwar mittlerweile eine Methode gefunden, Quantenzustände in Atome gezielt zu "programmieren", die Schwierigkeit ist jedoch, diesen Zustand über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Denn die im Atomkern mittels Kontrollpulse, z.B. Laserpulse, in einen gewünschten Zustand gebrachten - quasi "programmierten" - Elektronen interagieren mit anderen Teilchen, und diese Wechselwirkungen stören das Auslesen des "Programms" zu einem späteren Zeitpunkt.
Der Dortmunder Theoretiker Uhrig rückte die Kontrollpulse in das Zentrum seiner Überlegungen. Seine Idee: Wenn die Pulse nicht wie bislang im gleichen Zeitabstand sondern gezielt abgestimmt variabel getaktet auf die Atomkerne gerichtet werden, müssten die programmierten Quantenbits stabiler werden. Im mathematischen Modell konnte der Physiker den gewünschten Effekt erzielen. Die von ihm errechnete Abfolge von Kontrollpulsen müssten laut theoretischen Überlegungen zu stabileren Quantenbits führen. Doch was in der Welt der Mathematik funktioniert, harrte noch einer Überprüfung in der Praxis.
Ein amerikanisches Wissenschaftlerteam um J. Bollinger vom National Institute for Standards and Technology hat jetzt die 2007 in der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letter" veröffentlichten Berechnungen Uhrigs in einem Experiment überprüft. Sie setzten 1.000 Beryllium-Atome, die durch ein starkes Magnetfeld zusammengehalten wurden, einer durch den Dortmunder Physiker errechneten Abfolge von Laserpulsen aus. Das Ergebnis: Die Messungen zeigten Quantenbits, die deutlich länger den gewünschten Zustand stabil halten konnten, als es bislang möglich war. Somit bestätigt das Experiment, über das jetzt in der neuesten Ausgabe von "Nature", der weltweit angesehensten Zeitschrift für Naturwissenschaften, berichtet wurde, die theoretischen Überlegungen des Dortmunder Physikers.
Die erfolgreiche deutsch-amerikanische Zusammenarbeit von theoretischen und experimentellen Physikern wollen beide Seiten auf jeden Fall fortsetzen. So präsentiert Uhrig auf Einladung der amerikanischen Arbeitsgruppe seine Berchnungen im Oktober auf einer internationalen Konferenz in Boulder, Colorado. Zusätzlich will er gemeinsam mit seinen Kollegen in Dortmund an einer weiteren Optimierung der Kontrollpulse arbeiten. Denn die amerikanischen Experimente zeigen zwar eine deutliche Verlängerung der Quantenstabilität, der Theoretiker Uhrig hat aber bereits berechnet, dass das von ihm entwickelte Verfahren noch wesentlich mehr Potential bietet.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Götz S. Uhrig,
TU Dortmund
Fakultät Physik
Lehrstuhl für Theoretische Physik I
Tel.: 0231/755-3547
E-Mail: goetz.uhrig@tu-dortmund.de

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