Kohlenstoffnanoröhrchen für Quantencomputer

Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits, die einen Wert von entweder 0 oder 1 annehmen können, können Qubits 0 oder 1 oder beide Werte gleichzeitig enthalten. Wegen dieses einzigartigen quantenmechanischen Phänomens der Überlagerung erwartet man von den Quantencomputern der Zukunft mehr Effizienz für bestimmte Rechenaufgaben. Elektronenspin ist eine offensichtliche Möglichkeit für die physikalische Umsetzung eines Qubits.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass es möglich ist, Spin-basierte Qubits unter Verwendung von Elektronen, eingefangen in einer Festkörperumgebung zu initialisieren, zu manipulieren, zu koppeln und auszulesen. EU-finanzierte Wissenschaftler untersuchen das einzigartige Potenzial von CNT für die Qubit-Implementierung und Festkörper-Quantencomputer im Rahmen des Projekts CARBONQUBITS (Quantum bits in carbon nanostructures).

Die bisherigen Ergebnisse hoben physikalische Phänomene im Zusammenhang mit Quantenbewegung und zeitliche Eigenschaften der Spin-Steuerung hervor, die die Gestaltung und Optimierung von Kohlenstoffnanostrukturen für Quanten-Computing-Anwendungen unterstützen werden.

Theoretische Studien haben gezeigt, dass die Wechselwirkung des Spins eines Elektrons in einer CNT, das über einer kleinen Spalte schwebt, auf die Schwingungen des CNT selbst sehr stark sein kann: Wenn die CNT so abgestimmt ist, dass sie im Gleichklang mit dem Spin schwingt, kann ein vom Elektron ausgesendeter Quantenschall resorbiert und viele Male reemittiert werden, bevor er verloren geht. Das Phänomen wird ein wertvolles Instrument für die Untersuchung von Quantenbewegung sein und könnte ein Weg sein, um die Langstrecken-Kommunikation zwischen Qubits zu implementieren.

Um sich für Quantencomputer zu eignen, muss die Zeitskala der Qubit-Manipulation viel kürzer als die Zeitskala des Informationsverlusts sein. Ein einfaches Modell zeigte, dass die Spinkontrolle mit zunehmender Anregungsfeldstärke bis zu einem bestimmten Wert schneller wird. Da die Stärke über diesen optimalen Wert erhöht wird, werden Spin-Flips langsamer, was auch für spin-basierte Qubits in CNT-Quantenpunkten zutrifft.

Die Ära der Quantencomputer rückt schnell näher und CARBONQUBITS soll hierzu einen wertvollen Beitrag leisten. Dadurch ergeben sich wichtige Vorteile für assoziierte Forscher und für die Wettbewerbsposition Europas auf einem sich entwickelnden Markt.