Rechnen mit Quantenkorkenziehern

23. April 2019, von Heiko Fuchs

Foto: UHH/MIN/Posske und PixaBay

Magnetische Spiralen können als Informationsspeicher verwendet werden. Die logische „0“ wird durch die Abwesenheit einer Spirale, die logische „1“ durch die Anwesenheit einer Spirale dargestellt.

Physiker der Universität Hamburg haben einen Trick entdeckt, mit dem die Speicherkapazität zukünftiger Datenspeicher in Quantencomputern erhöht werden kann.

In Computern werden alle digitalen Informationen als sogenannte Bits dargestellt. Ein Bit kann zwei Werte annehmen: „Null“ und „Eins“. Physikalisch funktioniert das ähnlich wie bei einem Lichtschalter: Strom fließt und die Lampe leuchtet (1) oder es fließt kein Strom und es bleibt dunkel (0).

Quantencomputer funktionieren ähnlich, nutzen aber für Speicher- und Rechenoperationen quantenmechanische Effekte. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwarten, dass sie dadurch viele Probleme der Informatik und der Mathematik effizienter lösen können als herkömmliche Computer. Allerdings ist die Entwicklung von Quantencomptern nicht so einfach, da ihre aus wenigen Atomen bestehenden Bausteine so klein sind, dass sie instabil und damit unbrauchbar werden können.

Dr. Thore Posske und Prof. Michael Thorwart vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg erforschen neuartige Datenspeicher für Quantencomputer und beschäftigen sich mit winzigen Ketten aus wenigen magnetischen Atomen. Deren magnetische Ausrichtung kann in die gleiche Richtung zeigen oder in einer Spirale angeordnet sein, wie bei einem Korkenzieher (siehe Abb.). Die digitalen Informationen dieser zukünftigen Datenspeicher werden in diesem Fall als „Spirale da“ (1) oder „Spirale weg“ (0) gespeichert. „Der Clou der 'Korkenzieher'-Bits ist, dass sie viel robuster sind als normale Bits“, erklärt Dr. Posske. „Wenn man die Ketten zu klein macht, wird die Spirale von Quanteneffekten zerstört. Durch theoretische Rechnungen haben wir allerdings herausgefunden, dass die Spirale unter bestimmten Bedingungen stabil bleibt. Dadurch können die Ketten auf wenige Atome verkleinert werden.“

Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Physical Review Letters berichteten, fanden sie zu ihrer großen Überraschung auch eine einzigartige Stärke der Quanteneffekte[bav96041] [Heiko Fuc2] , die die magnetischen Korkenzieher zu vielversprechenden Bausteinen für Quantencomputer machen könnte: „Zwar wird die Spirale selbst zerstört, ihr Informationsgehalt aber bleibt in der Quantenwelt erhalten“, sagt Dr. Posske. „Damit wird die Kette zum unerwartet robusten 'Quantenkorkenzieher'-Bit.“