Nano-Gitarre als Qubit Quantencomputer aus Kohlenstoff-Nanoröhren

Kohlenstoff-Nanoröhren eignen sich als Bausteine für Quantencomputer. Eine Studie von Physikern der Technischen Universität München (TUM) belegt, dass Nanoröhren Information in Form mechanischer Schwingungen speichern können.

Computer, die quantenmechanische Phänomene geschickt nutzen, könnten wesentlich leistungsfähiger sein als klassische, digital arbeitende Rechner. Wissenschaftler auf der ganzen Welt erforschen deshalb die Grundlagen dazu. Ein dabei häufig genutztes System sind elektrisch geladene Teilchen, die in einer »elektromagnetischen Falle« festgehalten werden. Ein Nachteil dieser Systeme ist, dass sie sehr empfindlich auf elektromagnetische Störungen reagieren und daher aufwändig abgeschirmt werden müssen. Physiker der TUM haben nun einen Weg gefunden, wie Information - die so genannten Qubits - auch in mechanischen Schwingungen gespeichert und quantenmechanisch verarbeitet werden kann. Die nanomechanischen Bausteine sind ungeladen und daher wesentlich unempfindlicher gegenüber elektrischen Störungen.

Die Forscher spannen dazu ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen an beiden Enden fest ein und regen es wie eine Gitarrensaite zu Schwingungen an. »Man würde erwarten, dass ein solches System sehr stark gedämpft ist und die Schwingung schnell abklingt«, erklärt Simon Rips, Erstautor der Arbeit. »Tatsächlich aber schwingt die Saite über eine Million Mal. Die Information bleibt damit bis zu einer Sekunde erhalten. Das ist lange genug, um damit arbeiten zu können.«

Da eine solche Saite zwischen vielen physikalisch gleichwertigen Zuständen hin und her schwingt, griffen die Physiker zu einem Trick: Ein elektrisches Feld in der Nähe des Nanoröhrchens sorgt dafür, dass nur zwei dieser Zustände angesteuert werden. Die Informationen können dann optoelektronisch geschrieben und gelesen werden. »Unser Konzept basiert auf verfügbarer Technik«, betont Michael Hartmann, Leiter der Emmy-Noether-Forschungsgruppe Quantenoptik und Quantendynamik an der TUM. »Es könnte uns der Realisierung eines Quantencomputers wieder ein Stück näher bringen.«