Quantencomputation

Die leuchtenden Fehler im Diamanten

Von Manfred Lindinger
12.03.2009
, 06:00
Der kleinste Diamantring der Welt mit einem Durchmesser von nur fünf Mikrometern
Das Leuchten der Diamanten interessiert auch Physiker. Zumindest dann, wenn bestimmte Fehlstellen die Ursache sind, die den Diamanten zur perfekten Quelle einzelner Photonen machen - und die Fehlstellen selbst lassen sich für Quantencomputationen nutzen.
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Der Diamant lässt nicht nur die Herzen vieler Schmuckliebhaber höher schlagen. Auch Werkzeugbauer und Materialforscher schätzen die besondere Form von Kohlenstoff seit langem wegen seiner extremen Härte, außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit sowie chemischen und thermischen Beständigkeit.

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Der Diamant beginnt auch ein physikalisches Gebiet zu erobern, in dem man ihn zunächst nicht vermuten würde. Wie in der vergangenen Woche auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Hamburg deutlich wurde, ist er für viele Forscher zum idealen Material geworden, aus dem sich einzigartige Lichtquellen, Datenspeicher für Quantenbits und möglicherweise sogar ein Quantencomputer bauen lassen.

Fehlstellen als Photonenquellen

Seinen rasanten Aufstieg hat der Diamant einer Entdeckung zu verdanken, die Forscher um Jörg Wrachtrup an der Technischen Universität Chemnitz vor zwölf Jahren machten. Sie beobachteten, dass bestimmte Defekte in Diamantkristallen rot fluoreszierten, nachdem man diese mit grünem Laserlicht angeregt hatte. Das Leuchten war so stark, dass man es leicht mit einem Lichtmikroskop beobachten konnte. Der Defekt, den Wrachtrup und seine Kollegen zum Leuchten brachten, bestand aus einer Fehlstelle im Kristallgitter und einem benachbarten Stickstoffatom auf dem Gitterplatz eines Kohlenstoffatoms.

Diese als Farbzentrum bezeichnete Stickstofffehlstelle sendet nach jedem grünen Laserpuls immer nur ein einzelnes rotes Lichtquant aus, weshalb ein Diamant eine ideale Quelle für einzelne Photonen ist, wie Mikhail Lukin von der Harvard University berichtete. Solche Lichtquellen werden für die Quantenkryptographie benötigt, wo man mit Photonen geheime Nachrichten abhörsicher übertragen möchte. Australische Forscher haben ein auf Farbzentren in Diamanten beruhendes Gerät entwickelt, das einzelne Photonen mit einer hohen Rate bei Raumtemperatur erzeugt. Andere Einzelphotonenquellen etwa aus halbleitenden Quantenpunkten oder Farbstoffmolekülen müssen gekühlt werden oder bleichen aus.

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Perfekt für die Erzeugung einzelner Photonen

Die Forscher um Steven Prawer von der University of Melbourne züchten extrem reine einkristalline Diamanten, indem sie Methan zusammen mit Wasserstoff aus der heißen Gasphase abscheiden. Stickstoffatome und Fehlstellen lassen sich bis auf wenige Nanometer genau in das Diamantgitter einbringen. Auf diese Weise ist man in der Lage, Diamantkristalle zu züchten, die nur jeweils eine Stickstoff-Fehlstelle enthalten und damit perfekte Einphotonenquellen sind. Prawer stellte auch ein Verfahren vor, mit dem sich dreidimensionale Strukturen aus einkristallinem Diamant herstellen lassen.

Dazu wird zunächst eine Diamantschicht mit energiereichen Heliumionen bestrahlt. Diese dringen in das Material ein und verwandeln es in einer bestimmten Tiefe in polykristallinen Kohlenstoff. Dort, wo der Diamantkristall zerstört ist, lässt sich das Material lösen und stückweise herausnehmen. Auf diese Weise haben Prawer und seine Kollegen dünne Lichtleiter, winzige Resonatoren, feine Federbalken und den wohl kleinsten Diamantring der Welt geschaffen, den man zur der Erzeugung und dem Nachweis einzelner Photonen verwenden könnte.

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Mit Farbzentren als Qubits zum diamantenen Quantencomputer

Die Farbzentren im Diamanten haben eine Eigenschaft, die Forscher von der Universität Stuttgart zum Bau eines Quantencomputers nutzen wollen. Man kann mit ihnen quantenmechanische Informationseinheiten, sogenannte Quantenbits, darstellen. Während klassische Bits nur die Werte "1" oder "0" haben, kann ein Qubit beide Zustände gleichzeitig annehmen. Dadurch könnte ein Quantenrechner bestimmte Operationen deutlich effizienter lösen als ein noch so leistungsfähiger Computer herkömmlicher Art.

Mit isolierten Ionen, supraleitenden Leiterschleifen und organischen Molekülen versucht man seit langem, einen Quantenrechner zu verwirklichen - mit bislang mäßigem Erfolg. Zu stark sind die Störungen der Umgebung auf die fragilen Quantensysteme, wodurch die in den Qubits gespeicherten Informationen verlorengehen. Ein Ausweg könnten die Stickstoff-Fehlstellen sein. Da sie von den umgebenden Kohlenstoffatomen perfekt abgeschirmt werden, muss der Diamantkristall nicht gekühlt werden. Die Qubits erweisen sich dadurch als äußerst langlebig. So hat man bei isotopenreinen Kristallen Lebensdauern von einigen Millisekunden gemessen.

Kürzlich haben die Stuttgarter Forscher unter der Leitung von Jörg Wrachtrup mit einer Reihe von Fehlstellen in einem einzelnen Kristall ein Quantenregister verwirklicht, in das sie mit Laserpulsen gezielt Qubits schreiben und wieder auslesen können. Mit zwei Farbzentren haben sie zudem ein elementares Not-Gatter verwirklicht, in denen die Ausgangszustände stets die entgegengesetzten Werte der Eingangszustände annehmen. Ein weiterer Quantencoup war ihnen im vergangenen Jahr gelungen, als sie in einem Diamantkristall drei Kerne des Kohlenstoffisotops-13 bei Raumtemperatur miteinander verschränkten. Dazu nutzen sie geschickt die Wechselwirkung der Elektronenspins der Stickstoffatome mit den Kernspins aus. Der Quantencomputer aus Diamant scheint somit in Reichweite.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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