Physiker lesen magnetische Quantenzustände aus

Die neue Messmethode wurde u.a. am Hahn-Meitner-Institut für Photovoltaikmaterialien entwickelt. Die Physiker nutzten dabei den Elektronenspin aus. Durch den Spin verhalten sich die Elektronen wie auch die Atomkerne des Phosphors wie kleine Stabmagnete. Wegen ihrer magnetischen Eigenschaften eignen sich Phosphorkerne dafür, Information zu speichern und zu verarbeiten. Das Konzept verspreche einige Vorteile gegenüber anderen Realisierungsversuchen, so das HMI. Es ließe sich beispielsweise elegant mit Elektronik auf Siliziumchips verbinden.

Bevor das Konzept realisiert werden kann, müssen allerdings noch viele Hürden genommen werden. Erstens müssen die Phosphoratome und Kristalldefekte mit einer Genauigkeit von weniger als einem Milliardstel Meter in dem Siliziumkristall angeordnet werden. Zweitens muss der Quantencomputer programmiert und zum Rechnen gebracht werden. Drittens muss am Schluss die in den Kernen der Phosphoratome kodierte Information ausgelesen werden.

„Für den letzten Schritt eignet sich im Prinzip unsere Methode“, sagt Klaus Lips, Projektleiter am Hahn-Meitner-Institut. Das zeigten die beiden Doktoranden Andre Stegner und Hans Hübl in zeitraubenden Experimenten. Bei der Methode spielen Elektronen auf den Phosphoratomen und an den Kristalldefekten eine Rolle. Mit Magnetfeldern und Impulsen aus Mikrowellenstrahlen hat das Team die verschiedenen Elektronenspins präpariert. Am Ende konnte durch Messung des elektrischen Stroms durch den Kristall etwas über den magnetischen Zustand der Phosphorelektronen und -kerne erfahren werden. Damit könnte prinzipiell ein Phosphor-Silizium-Quantencomputer ausgelesen werden.

Die Forscher benötigen derzeit die Elektronen von mindestens 10.000 Phosphoratomen, um ein Signal zu messen. Klaus Lips ist aber optimistisch: „In einigen Jahren wird es klappen, sogar den magnetischen Zustand eines einzelnen Phosphorkerns zu detektieren, wie es für den Bau eines Quantencomputers nötig ist.“ (Detlef Scholz)