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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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