Quanteneffekte können in CPUs Probleme machen

Aktuelle Studien beweisen die Quantennatur von Rückkopplungs-Effekten - und eröffnen gleichzeitig einen Weg, sie zu vermeiden. Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München haben gemeinsam mit zwei kanadischen Forscherteams diese Back-Action-Effekte auf der Quantenebene experimentell nachgewiesen und theoretisch modelliert.

Dabei gelang es ihnen laut einem Bericht des Wissenschaftmagazins 'Nature Physics' zum einen, den Einfluss von Back-Action auf ein einzelnes Elektron direkt sichtbar zu machen. Zum anderen entdeckten sie einen Weg, um mit Hilfe von grundlegenden Quanteneffekten diese unerwünschten Prozesse zu minimieren.

Um das Wechselspiel zwischen Detektor und Transistor im Detail zu untersuchen, benutzten die Forscher einen speziellen Transistor, in dem sich ein einzelnes Elektron zwischen zwei Orten, sogenannten Quantentöpfen, bewegen kann. Ein 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.

"Unsere wichtigste Entdeckung ist, dass sich Back-Action-Effekte durch Quanteninterferenz auslöschen können", erklärte der Physiker Stefan Ludwig. "Interessanterweise verursacht der Back-Action Prozess selber diese Quanteninterferenzen, die unter bestimmten Bedingungen zu seiner eigenen Auslöschung führen können." Diese Auslöschung könne man im Experiment gezielt herbeiführen und damit Back-Action minimieren.

Aus Sicht Ludwigs ist diese Entdeckung ein Meilenstein auf dem Weg, Quantenphysik für die Computer der Zukunft zu nutzen. In Quantencomputern würde zum Beispiel der quantenmechanische Zustand eines einzelnen Elektrons den klassischen Transistor ersetzen. Solche Quantenzustände sind jedoch besonders anfällig für sogenannte Back-Action - also Rückkopplungs-Effekte. Es stellt sich deshalb letztlich die Frage, wie realistisch der Quantencomputer ist.