Mittels eines Rastertunnelmikroskops werden einzelne Holmiumatome auf einer Platinoberfläche sichtbar.
KIT/T. Miyamachi
Jetzt haben Forscher das Ein-Atom-Bit gefunden. Damit rückt der Datenspeicher der Zukunft in greifbare Nähe. Auch wenn der erzeugte magnetische Spin nur knapp 10 Minuten stabil bleibt, die Forscher rechnen nun fest mit dem Quantencomputer.
Ein einzelnes Atom, auf einer Oberfläche fixiert, lässt Computerexperten träumen. Sie hoffen nämlich auf einen magnetischen Datenspeicher der Zukunft, der kleiner nicht sein kann. Denn ein Atom ist ein Bit. Gelingt es, den erzeugten magnetischen Spin für lange Zeit stabil zu halten, lassen sich Quantencomputer mit ungeahnter Leistung aufbauen. Ein Quantensprung, wie eine bedeutende Erfindung umgangssprachlich bezeichnet wird. Denn heutige Computer, so verzwickt ihre Technologie auch sein mag, funktionieren letztlich nach den gleichen Grundprinzipien wie die frühen Rechenmaschinen, schreibt Matthias Homeister in seinem Buch Quantum Computing verstehen.
Das soll nicht heißen, seit Konrad Zuses mechanischer Binärziffernrechenmaschine Z1 von 1938 oder seit der Difference Engine, die Charles Babbage zu Anfang des 19. Jahrhunderts entworfen hat, seien keine Fortschritte gemacht worden. Die Computertechnologie entwickelt sich rasant, und neue Architekturen führen zu immer schnelleren und leistungsfähigeren Rechnern. Trotzdem kann man die Etappen des Wegs von Zahnrad über Relais, Röhre und Transistor zum miniaturisierten Schaltkreis als verschiedene technische Umsetzungen der gleichen Idee betrachten.
Ein Atom revolutioniert die Computertechnik
Forscher des KIT könnten dies nun ändern. Sie haben ein einzelnes Atom auf einer Oberfläche so fixiert, dass der magnetische Spin über 10 Minuten stabil blieb. „Ein einzelnes Atom, fixiert auf einer Unterlage, ist meist so empfindlich, dass es nur Bruchteile einer Mikrosekunde (200 Nanosekunden) seine magnetische Ausrichtung beibehält“, erklärt Wulf Wulfhekel vom Karlsruher Institut für Technologie. Zusammen mit Kollegen aus Halle hat er es nun geschafft, diese Zeit um einen Faktor von etwa einer Milliarde auf mehrere Minuten zu verlängern. „Dies öffnet nicht nur das Tor zu dichteren Computerspeichern, sondern könnte auch für den Aufbau von Quantencomputern einen Grundstein legen“, so Wulfhekel. Quantencomputer basieren auf den quantenphysikalischen Eigenschaften von atomaren Systemen und könnten zumindest in der Theorie einen exponentiellen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber klassischen Computern besitzen.
Holmium-Atom auf eine Platinunterlage
In dem aktuellen Experiment setzten die Forscher ein einzelnes Holmium-Atom auf eine Platinunterlage. Bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt, bei circa 1 Grad Kelvin, vermaßen sie die magnetische Ausrichtung des Atoms mittels der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Der magnetische Spin sprang erst nach circa zehn Minuten um. „Das System hält seinen einmal eingestellten magnetischen Spin somit rund eine Milliarde mal länger als vergleichbare atomare Systeme“, so Wulfhekel. Für das Experiment wurde ein neuartiges Rastertunnelmikroskop des KIT genutzt. Dank einer speziellen Kühlung für den Temperaturbereich nahe dem absoluten Nullpunkt ist es vibrationsarm und erlaubt lange Messzeiten.
Störende Einflüsse in Atomnähe ausgeblendet
„Um die Spin-Umklapp-Zeiten zu verlängern, haben wir den störenden Einfluss der Umgebung für das Atom ausgeblendet“, erklärt Arthur Ernst vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, der theoretische Rechnungen für das Experiment beigetragen hat. Normalerweise stoßen die Elektronen der Unterlage und des Atoms rege quantenmechanisch miteinander und destabilisieren den Spin des Atoms in Mikrosekunden oder schneller aus dem Grundzustand. Im Fall von Holmium und Platin bei tiefen Temperaturen werden störende Wechselwirkungen durch die Symmetrieeigenschaften des vorliegenden Quantensystems ausgeschaltet. „Im Grunde sind Holmium und Platin für einander im Bezug auf Spinstreuung unsichtbar“, so Ernst. Mittels externer Magnetfelder ließen sich der Spin des Holmiums aber noch einstellen und so Informationen schreiben. Damit wären die Grundlagen für die Entwicklung kompakter Datenspeicher oder Quantencomputer gelegt.
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