Quantenverschränkung in Silizium: Phosphor-Kerne über 20 Nanometer verbunden

Quantenverschränkung – von Albert Einstein einst als „spukhafte Fernwirkung“ abgetan – beflügelt seit Langem die Fantasie der Öffentlichkeit und stellt selbst erfahrene Forschende vor Rätsel.

Für heutige Praktikerinnen und Praktiker der Quantenforschung wirkt das allerdings deutlich weniger mysteriös: Verschränkung ist im Kern eine besondere Form der Kopplung zwischen Teilchen – und genau das prägende Merkmal von Quantencomputern.

Obwohl diese Geräte noch am Anfang stehen, ist es gerade die Verschränkung, die ihnen Fähigkeiten eröffnen wird, die klassischen Rechnern verwehrt bleiben. Dazu gehört etwa, natürliche Quantensysteme wie Moleküle, Arzneistoffe oder Katalysatoren wesentlich besser zu simulieren.

In einer neuen Arbeit, die heute in Science erschienen ist, haben meine Kolleginnen und Kollegen und ich Quantenverschränkung zwischen zwei Atomkernen gezeigt, die rund 20 Nanometer voneinander entfernt sind.

Das mag zunächst wenig beeindruckend klingen. Doch der Ansatz, den wir eingesetzt haben, ist sowohl praktisch als auch konzeptionell ein Durchbruch – und könnte helfen, Quantencomputer auf Basis eines der präzisesten und zuverlässigsten Systeme zur Speicherung von Quanteninformation zu bauen.

Kontrolle und Rauschen in Balance bringen

Die Ingenieurinnen und Ingenieure, die Quantencomputer entwickeln, müssen zwei gegensätzliche Anforderungen miteinander vereinbaren.

Einerseits müssen die empfindlichen Rechenelemente vor äußerer Störung und Rauschen geschützt werden. Andererseits braucht es zugleich eine Möglichkeit, mit ihnen zu interagieren, um sinnvolle Berechnungen durchführen zu können.

Genau deshalb sind noch so viele unterschiedliche Hardware-Ansätze im Rennen um den ersten funktionsfähigen Quantencomputer.

Einige Plattformen erlauben sehr schnelle Operationen, sind jedoch anfälliger für Rauschen. Andere sind besonders gut abgeschirmt, lassen sich dafür aber schwer bedienen und nur mühsam in größerem Maßstab aufbauen.

Atomkerne miteinander „sprechen“ lassen

Mein Team arbeitet an einer Plattform, die – bis heute – eher in die zweite Kategorie fiel. Wir haben Phosphoratome in Siliziumchips implantiert und den Spin der Atomkerne genutzt, um Quanteninformation zu kodieren.

Um einen nützlichen Quantencomputer zu bauen, müssen viele Atomkerne gleichzeitig eingesetzt werden. Bislang gab es jedoch nur einen Weg, mit mehreren Atomkernen zu arbeiten: Man platzierte sie sehr dicht beieinander in einem Festkörper, sodass sie von einem einzigen Elektron umgeben sein konnten.

Üblicherweise stellt man sich ein Elektron als deutlich kleiner als einen Atomkern vor. Die Quantenphysik sagt jedoch, dass es sich räumlich „ausbreiten“ kann – und dadurch mit mehreren Atomkernen gleichzeitig wechselwirken kann.

Trotzdem ist die Distanz, über die sich ein einzelnes Elektron ausdehnen kann, begrenzt. Außerdem wird es extrem schwierig, jeden einzelnen Kern separat zu steuern, wenn man immer mehr Kerne an dasselbe Elektron koppelt.

Elektronische „Telefone“ für verschränkte, entfernte Kerne

Man kann es so ausdrücken: Bislang waren Kerne wie Personen, die in schalldichten Räumen sitzen. Sie können miteinander sprechen, solange alle im selben Raum sind – und die Gespräche sind dabei sehr klar.

Von außen hören sie jedoch nichts, und zugleich ist die Anzahl der Personen begrenzt, die in einen Raum passen. In dieser Form lässt sich das „Gespräch“ also nicht beliebig skalieren.

In unserer neuen Arbeit ist es, als hätten wir diesen Personen Telefone gegeben, um mit anderen Räumen zu kommunizieren. Im Inneren bleibt jeder Raum weiterhin angenehm ruhig, aber nun können weit mehr Menschen miteinander sprechen – auch über größere Entfernungen.

Diese „Telefone“ sind Elektronen. Weil sie sich im Raum ausbreiten können, können zwei Elektronen sich auch über eine beträchtliche Distanz hinweg „berühren“.

Und wenn jedes Elektron direkt an einen Atomkern gekoppelt ist, können die Kerne über die Wechselwirkung der Elektronen miteinander kommunizieren.

Über diesen Elektronenkanal haben wir Quantenverschränkung zwischen den Kernen erzeugt – mithilfe einer Methode namens „geometrisches Gate“, die wir bereits vor einigen Jahren eingesetzt haben, um hochpräzise Quantenoperationen mit Atomen in Silizium auszuführen.

Nun haben wir – zum ersten Mal in Silizium – gezeigt, dass sich dieses Verfahren über Kernpaare hinaus skalieren lässt, die am selben Elektron „hängen“.

Passend zur Welt integrierter Schaltkreise

In unserem Experiment lagen die Phosphorkerne 20 Nanometer auseinander. Falls das immer noch nach einer kurzen Distanz klingt: Das stimmt – zwischen den beiden Phosphoratomen befinden sich weniger als 40 Siliziumatome.

Gleichzeitig ist das genau die Größenordnung, in der alltägliche Siliziumtransistoren hergestellt werden. Quantenverschränkung auf der 20-Nanometer-Skala bedeutet, dass wir unsere langlebigen, gut abgeschirmten Kernspin-Qubits in die bestehende Architektur standardisierter Siliziumchips integrieren können – also in jene, die auch in Smartphones und Computern stecken.

Für die Zukunft stellen wir uns vor, die Verschränkungsdistanz noch weiter zu vergrößern, weil sich Elektronen physisch verschieben oder in stärker längliche Formen „quetschen“ lassen.

Unser jüngster Durchbruch sorgt zudem dafür, dass Fortschritte bei elektronbasierten Quantensystemen direkt für den Aufbau von Quantencomputern nutzbar werden, die langlebige Kernspins für verlässliche Berechnungen verwenden.

Andrea Morello, Professor, Quantum Nanosystems, UNSW Sydney

Dieser Artikel wurde unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.