Robert J. Schoelkopf und Jörg Wrachtrup erhalten den Max-Planck-Forschungspreis

Alexander von Humboldt-Stiftung und Max-Planck-Gesellschaft haben in Berlin ihre Pionierleistungen auf dem Gebiet der Quanten-Nanowissenschaft gewürdigt

In der Nanowelt gelten ganz besondere Regeln – die Quantengesetze. Und weil Robert J. Schoelkopf und Jörg Wrachtrup diese geschickt nutzen, um etwa die Quanteninformationstechnologie voranzubringen, zeichnen die Alexander von Humboldt-Stiftung und die Max-Planck-Gesellschaft sie in diesem Jahr mit dem Max-Planck-Forschungspreis aus. Robert Schoelkopf forscht und lehrt an der Yale University; Jörg Wrachtrup ist Professor der Universität Stuttgart und Fellow des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung. Die Preisträger erhalten jeweils 750 000 Euro, um ihre Forschung und insbesondere Kooperationen mit deutschen oder ausländischen Wissenschaftlern zu finanzieren.

Die Quantengesetze erlauben Phänomene, die in unserer Alltagswelt nicht vorstellbar sind. So können zwei oder mehr Quantenteilchen einen Zustand annehmen, in dem sie voneinander wissen, obwohl sie nicht miteinander kommunizieren. Diese Verschränkung lässt sich für neue Ansätze in der Informationstechnologie wie die Entwicklung des Quantencomputers nutzen, der etwa große Datensätze sehr viel schneller durchsuchen kann als ein klassischer Computer. Verschränkung spielt auch bei den Beiträgen von Jörg Wrachtrup und Robert J. Schoelkopf zur Quanten-Nanowissenschaft und damit zur Quanteninformationstechnologie eine Rolle, für die beide Forscher den Max-Planck-Forschungspreis erhalten.

Der Max-Planck-Forschungspreis ist einer der höchst dotierten Wissenschaftspreise in Deutschland. Er wird vom Bundesforschungsministerium finanziert und jährlich von der Alexander von Humboldt-Stiftung und der Max-Planck-Gesellschaft an einen im Ausland und einen in Deutschland tätigen Wissenschaftler verliehen. Die Ausschreibung des Themas wechselt jährlich zwischen Teilgebieten der Natur- und Ingenieurwissenschaften, der Lebenswissenschaften und der Geisteswissenschaften.

Einzelne Spins in Diamanten für einen Nano-Kernspintomografen

Jörg Wrachtrup erforscht isolierte Spins in Festkörpern, vor allem in Diamanten aber auch in anderen Materialien wie Siliziumcarbid. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft etwa von Elektronen und Atomkernen und macht diese Teilchen zu winzigen Magnetnadeln, die sich in einem äußeren Magnetfeld ausrichten. Wie viel Energie für einen Richtungswechsel nötig ist, hängt auch von der chemischen Umgebung eines Spins ab. Daher liefert beispielsweise die Kernspintomografie ein detailliertes Bild der unterschiedlichen Gewebe im menschlichen Körper.

Jörg Wrachtrup, Professor der Universität Stuttgart und Fellow des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung, gelang es erstmals, die Orientierung eines einzelnen Spins in einem Diamanten auszulesen und zu schalten. Die einzelnen Spins finden sich im Diamanten dort, wo ein Stickstoff- statt eines Kohlenstoffatoms in dessen Kristallgitter eingebaut ist. Der Spin eines solchen NV-Zentrums – kurz für Nitrogen-Vacancy- oder Stickstoff-Leerstellen-Zentrum – reagiert sehr empfindlich auf andere Spins in seiner Umgebung. Wachtrups Team arbeitet daran, dies für einen nanoskopischen Kernspintomografen für einzelne Zellen zu nutzen – so wie inzwischen manche andere Forschungsgruppe in der Welt. Der sensible Kern dieses Kernspintomografen wird der einzelne Spin eines Diamanten sein.

„Diese Quantensensoren könnten uns vollkommen neue Einblicke in Materialien auf der Nanometerskala liefern“, sagt Jörg Wrachtrup. „Ich halte selbst den Einsatz in der Zellbiologie oder sogar in lebendem Gewebe für realistisch.“ Da kommt Jörg Wrachtrup das Preisgeld des Max-Planck-Forschungspreises gerade recht, weil sich damit ein Projekt auch über einen längeren Zeitraum unterstützen lässt. So kann er sich vorstellen, die Mittel zu verwenden, um die Quantensensoren für solch diffizile Einsätze weiterzuentwickeln.

Die Spins der NV-Zentren eignen sich aber nicht nur als Sonden eines nanoskopischen Kernspintomografen, sondern auch als Quantenbit oder Qubit, also als kleinste Recheneinheit eines Quantencomputers. Denn in der Orientierung des Spins lässt sich die „0“ und „1“ eines Datenbits speichern. Jörg Wrachtrups Team hat an einem solchen NV-Zentrum bereits ein einfaches Rechenregister aus verschränkten Qubits erzeugt und damit grundlegende Operationen einer Quantenrechnung ausgeführt.

Rechnen ohne Widerstand

So wie Jörg Wrachtrup als Vorreiter der Quanten-Spintronik gilt, ist Robert J. Schoelkopf, Professor an der Yale University ein Erfinder der supraleitenden Qubits. Supraleiter transportieren Strom ohne elektrischen Widerstand. Die Qubits, die Robert Schoelkopf gemeinsam mit seinen Kollegen Michel Devoret und Steve Girvin an der Yale University entwickelt hat, bestehen aus supraleitenden Stromkreisen. Bei sehr tiefen Temperaturen verhält sich ein solcher widerstandsloser Stromkreis in gewissem Sinn wie ein einzelnes Atom: Obwohl darin rund eine Billion Elektronen ungehindert ihre Bahnen ziehen, kann der Stromkreis definierte Energiezustände einnehmen, die denen eines Atoms sehr ähneln. Die untersten beiden können die „0“ und „1“ eines Datenbits ebenso codieren wie die Orientierung des Spins in einem Magnetfeld.

Mit den supraleitenden Qubits, die im Durchmesser einige Mikro- oder gar Millimeter messen können, hat Schoelkopfs Team die Grenzen des Quantenregimes von der Nanodimension hin zu größeren Objekten verschoben. Lange gingen Physiker davon aus, dass sich die teils bizarren Quanteneffekte nur in allerkleinsten Dimensionen beobachten lassen. Demnach gebe es in größeren Systemen zu viele Störungen, die gerade die meist fragilen Quantenzustände, die für Anwendungen in einer neuartigen Informationsverarbeitung interessant sind, kaputt machen. Derzeit testen Physiker noch aus, wie groß Systeme tatsächlich sein können, sodass sie noch den Quantengesetzen unterliegen. Robert Schoelkopf hat bei dieser Suche nach den Grenzen der Quantenwelt mit den supraleitenden Qubits eine Marke gesetzt.

„Wir haben es geschafft unsere supraleitenden Qubits sehr robust gegen Störungen von außen zu machen“, erklärt der Physiker Schoelkopf. Inzwischen haben er und seine Mitarbeiter aus verschränkten widerstandslosen Stromkreisen auch elementare Quantenregister geschaffen, die einfache Rechenoperationen ausführen und die Keimzelle eines Quantencomputers bilden. So wundert es nicht, dass sich die supraleitenden Qubits unter den möglichen Kandidaten für die kleinsten Recheneinheiten eines Quantencomputers eine aussichtsreiche Ausgangsposition verschafft haben und Jörg Wrachtrup sagt: „Es ehrt mich zusätzlich, dass ich den Max-Planck-Forschungspreis zusammen mit Robert Schoelkopf erhalte, der mit den supraleitenden Qubits ein ganz neues Feld geöffnet hat.“

PH