Kohlenstoffnanoröhren als Quantenbits für die Informationsverarbeitung

Im Gegensatz zu elektronischen Bits, die entweder einen Wert von 0 oder einen Wert von 1 annehmen können, können Qubits entweder einen Wert oder beide gleichzeitig verkörpern. Aufgrund dieses charakteristischen quantenmechanischen Phänomens mit der Bezeichnung Superposition - Überlagerung - könnten Quantencomputer die nächste Generation der Rechenleistung sein, und somit die konventionelle Rechentechnik weit übertreffen. Aber sie unterliegen leicht Störungen und können ihre Superposition verlieren.

Die jüngsten Anstrengungen konzentrierten sich auf den Elektronenspin, um Qubits physikalisch zu realisieren. Man hatte Erfolg bei der Initialisierung, Manipulation und dem Auslesen von Qubits unter Einsatz von in einer Festkörperumgebung eingeschlossenen Elektronen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts CARBONQUBITS (Quantum bits in carbon nanostructures) wandten sich die Wissenschaftler dem einzigartigen Potenzial von Kohlenstoffnanoröhren zur Realisierung von Qubits zu.

Das CARBONQUBITS-Team erkundete die physikalischen Mechanismen, welche die Funktionalität von Kohlenstoffnanoröhren mit einzelnen Elektronen beeinflussen. Mit Hilfe der Ergebnisse konnte das aktuelle Verständnis von dem neuesten Stand der Technik entsprechenden Experimenten erweitert werden. Im Einzelnen ergaben theoretische Studien, dass die Wechselwirkung des Spins eines Elektrons, das an einer über einem kleinen Graben schwebenden Kohlenstoffnanoröhre gefangen ist, auf die Schwingungen der Kohlenstoffnanoröhre selbst sehr stark sein kann.

Im Besonderen wird eine Kohlenstoffnanoröhre, die an beiden Enden eingespannt ist, zum Schwingen angeregt und schwingt wie eine winzige Gitarrensaite für eine erstaunlich lange Zeit. Wird die Kohlenstoffnanoröhre so abgestimmt, dass sie im Gleichklang mit dem Elektronenspin schwingt, kann ein ausgesandter Quantenschall resorbiert und viele Male reemittiert werden, bevor er verlorengeht. Die starke Kopplung könnte eine Fernkommunikation zwischen den Qubits ermöglichen.

Um jedoch für das Quantencomputing von Nutzen zu sein, muss der Zeitraum der Qubitmanipulation viel kürzer als der zeitliche Maßstab des Informationsverlusts sein. Ein neu entwickeltes theoretisches Modell zeigte, dass die Zeit, die zur Steuerung eines spinbasierten Qubits erforderlich ist, mit zunehmender Anregungsfeldstärke bis zu einem bestimmten Wert kürzer wurde. Oberhalb dieses optimalen Werts wurden die Spin-Flips langsamer.

Zu guter Letzt arbeiteten die Wissenschaftler daran, auf welche Weise der Kernspin und geladene Verunreinigungen die Lebensdauer derartiger Quanteninformationsträger begrenzen. CARBONQUBITS hat dem Quantencomputing in Kohlenstoffnanoröhren neuen Anschub verliehen und hier einen vielversprechenden Weg zur Manipulation des Elektronenspins zur Darstellung von Bits an Informationen gewiesen. Davon wird die Wettbewerbsposition des Teams in der sich abzeichnenden Ära des Quantum Computing auf bedeutende Weise profitieren.