TechnikQuantencomputer

Prozessor aus der Mikrowelle

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Susanne Faschingbauer

Susanne Faschingbauer

freie Journalistin

Die nächste IT-Revolution beginnt mit dem Quantencomputer: Er arbeitet schneller und sicherer als bisherige Systeme. Doch welches Material schafft es, die Quantenbits zu speichern und zu verarbeiten? Die Hoffnung liegt auf Diamanten – die man in der Mikrowelle herstellt.

12. Juni 2015

Er ist hart und rein, einfach brillant. Er ist unzerbrechlich und unvergänglich. Er funkelt in allen Farben. Er ist das Symbol für ewige Liebe, ein Stein der Begierde: der Diamant. »Er ist emotional aufgeladen«, sagt der Physiker Nicolas Wöhrl. Auch der nüchterne Wissenschaftler ist dem Edelstein verfallen.

Wöhrl, 40, arbeitet als Materialwissenschaftler am Zentrum für Nanoenergietechnik der Universität Duisburg-Essen. Er analysiert die Materialien nicht nur, sondern stellt sie auch her. Seit mehr als einem Jahrzehnt widmet er seine Forschungszeit insbesondere dem Diamanten, dem »Weltmeister unter den Materialien«, weil er härter ist als alle anderen, chemisch resistent, biokompatibel und wärmeleitend. Eigenschaften, die einen Physiker schwach werden lassen. Wöhrl kennt seinen Liebling bis aufs kleinste Nanoteilchen und prophezeit ihm eine glorreiche Zukunft. Der Diamant werde aus der Romantikernische auf die Bühne des Weltgeschehens treten: Er könnte die nächste IT-Revolution bedingen. Sie beginnt mit dem Quantencomputer.

Das klassische Rechnersystem sei nahezu ausgereizt. Wöhrl ist überzeugt: Das Moore´sche Gesetz, nach dem sich die Leistung von Computern alle zwei Jahre verdoppelt, stoße etwa im Jahr 2020 an seine Grenzen. Die Informationstechnologie muss, um leistungsfähigere Rechner zu entwickeln, neue Wege beschreiten, beispielsweise mit dem Quantencomputer. Er arbeitet schneller und sicherer als bisherige Systeme. Während Bits, die kleinste Recheneinheit klassischer Computer, nur den Wert 1 oder 0 annehmen, kann ein Quantenbit beides gleichzeitig sein und Werte dazwischen annehmen. Das erhöht die Leistung gigantisch, insbesondere wenn parallele Rechenschritte nötig sind.

Doch die Forscher stehen vor einem Problem: Welches Material schafft es, die Quantenbits, die Informationseinheiten, zu speichern und zu verarbeiten? Quantenbits erhalten ihre wertvollen Quantenzustände nur, wenn sie ungestört von äußeren Einflüssen arbeiten; keine Vibration, kein elektromagnetisches Feld, keine Temperaturänderung darf sie stören. Das Arbeiten mit Quantencomputern gelang Forschern bislang nur unter extremen Bedingungen: in Magnetfeldern und bei tiefen Temperaturen. Eine Technik, die auf keinen Schreibtisch passt. Deswegen sucht man nach Materialien, in denen Quantenbits ebenfalls ihren wertvollen Quantenzustand erhalten können. Die Hoffnung liegt auf Diamanten.

»Kristalle sind wie Menschen, erst ihre Fehler machen sie so interessant«, sagt Wöhrl und zitiert damit den britischen Physiker Colin Humphreys. Wie Ruß oder Graphit bestehen Diamanten aus Kohlenstoffatomen, sie sind gitterförmig angeordnet, nebeneinander und übereinander, was die robusten Eigenschaften bedingt. An manchen Stellen allerdings haben sie Fehler, ein Kohlenstoffatom ist durch ein Stickstoffatom ersetzt, und direkt daneben liegt eine Leerstelle; die Fachwelt nennt das NV-Zentrum, nitrogen-vacancy center.

In dieses Vakuum soll die IT-Revolution passen: Hier könnten die Quantenbits ihren ungestörten Raum finden, in dem sie vernünftig arbeiten können. Kaum etwas könnte sie besser schützen als ein Diamant. Aus diesem Grund stellt Wöhrl im Labor Diamanten her.

Dem Physiker liegt nicht nur das Forschen, sondern auch das Vermitteln von wissenschaftlichen Inhalten am Herzen; deswegen tritt er regelmäßig auf Science-Slams auf. Jeder könne Diamanten herstellen, sagt er dort scherzhaft. Das Rezept dafür verrät er ebenfalls: Man nehme eine Mikrowelle, 2,45 Gigahertz, zünde darin ein Plasma und erhalte so eine Temperatur von 800 Grad Celsius. Nun greife man zu einem Staubsauger und befestige den Schlauch an der Mikrowelle, das erzeuge den nötigen Unterdruck. Man füge Wasserstoff und Methan, dessen Kohlenstoff das Kristallgitter bilden wird, hinzu und lege Diamantschmuck in die Mikrowelle; denn Diamant wächst am besten auf Diamant. Nach einer Zeit zwischen fünf Stunden und fünf Tagen entnehme man den selbstgemachten Edelstein, er ist zwischen einem halben und drei Millimeter hoch.

Die Arbeit von Wöhrl und seinem Team läuft im Labor natürlich professioneller ab, basiert aber auf denselben Zutaten. Wichtig sind nun die Defekte: Hierfür schießt der Wissenschaftler mit einer Ionenpistole Stickstoff in die Edelsteinschichten und schiebt sie in einen 700 Grad heißen Ofen. Dort organisieren sich die Atome zu Diamanten mit NV-Zentren, Raum für Quantenbits.

Bis der Diamant als Prozessor serienreif ist, wird es allerdings noch dauern. Die Forscher und Entwickler tüfteln über vielen Fragen, beispielsweise wie sie die Quantenbits in stabilere Zustände und in die richtigen Abstände zueinander bringen. Im Prinzip geht das Konzept aber bereits auf. Im April 2012 testete man den ersten Quantencomputer mit diamond inside: Er rechnete mit zwei Quantenbits. Wöhrl erwartet, dass es in etwa zehn Jahren die ersten einsatzfähigen Quantencomputer gibt.

Ausgabe 2014/01

Ausgabe 2014/01

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