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Quantenphysik: Messprozesse verändern Information

12.06.2012 - (idw) Ludwig-Maximilians-Universität München

Moderne Computer-Prozessoren besitzen bis zu 1,4 Milliarden Transistoren. Doch das Auslesen solch winziger Strukturen beeinflusst die Transistorzustände selbst. Aktuelle Studien beweisen die Quantennatur dieser Rückkopplungs-Effekte - und eröffnen einen Weg, sie zu vermeiden. Der Trend in der Computerbranche nach immer kleineren und schnelleren Bauteilen wird bald an fundamentale Grenzen stoßen. Eine Alternative könnte der Quantencomputer bieten, in dem zum Beispiel der quantenmechanische Zustand eines einzelnen Elektrons den klassischen Transistor ersetzen würde. Solche Quantenzustände sind jedoch besonders anfällig für sogenannte Back-Action also Rückkopplungs-Effekte. Es stellt sich deshalb die Frage, wie realistisch der Quantencomputer ist.

Quanteneffekte sichtbar gemacht

Der LMU-Physiker Dr. Stefan Ludwig und seine Kollegen haben gemeinsam mit zwei kanadischen Forscherteams Back-Action-Effekte auf der Quantenebene experimentell nachgewiesen und theoretisch modelliert. Dabei gelang es ihnen zum einen, den Einfluss von Back-Action auf ein einzelnes Elektron direkt sichtbar zu machen. Zum anderen entdeckten sie einen Weg, um mithilfe von grundlegenden Quanteneffekten diese unerwünschten Prozesse zu minimieren.

Detektor und Transistor im Wechselspiel

Um das Wechselspiel zwischen Detektor und Transistor im Detail zu untersuchen, benutzten die Wissenschaftler einen speziellen Transistor, in dem sich ein einzelnes Elektron zwischen zwei Orten, sogenannten Quantentöpfen, bewegen kann. Der Detektor misst, in welchem Topf sich das Elektron gerade befindet. Nun kommt Back-Action ins Spiel: Ganz generell beeinflusst jeder Detektionsprozess den Zustand des Elektrons und dadurch das Messergebnis. In dem untersuchten Fall basiert dieses Wechselspiel auf einer Kombination von Ladungsschwankungen und Schallwellen.

Ein Schritt hin zum Quantencomputer

Unsere wichtigste Entdeckung ist, dass sich Back-Action Effekte durch Quanteninterferenz auslöschen können, erklärt Ludwig, der auch der Nanosystems Initiative Munich (NIM) angehört. Interessanterweise verursacht der Back-Action Prozess selber diese Quanteninterferenzen, die unter bestimmten Bedingungen zu seiner eigenen Auslöschung führen können. Diese Auslöschung kann man im Experiment gezielt herbeiführen und damit Back-Action minimieren. Aus unserer Sicht ist diese Entdeckung ein Meilenstein auf dem Weg, Quantenphysik für die Computer der Zukunft zu nutzen.
(Nature Physics online vom 3.6.) NIM jQuery(document).ready(function($) { $("fb_share").attr("share_url") = encodeURIComponent(window.location); });
Weitere Informationen: http://www.nano.physik.uni-muenchen.de/quantumtransport - Weitere Informationen
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