Die Quantenmechanik ist die fundamentale Theorie der Materie, die uns umgibt. Sie erklärt Eigenschaften von Materialien und bestimmt das Verhalten der Natur auf atomarer Ebene. Ein Verständnis von einer Vielzahl von technologischen Anwendungen – vom Laser bis zum Transistor – wäre ohne Quantenmechanik undenkbar. „Erst in jüngerer Vergangenheit wurde jedoch deutlich, dass die Quantenmechanik völlig neuartige technologische Anwendungen bereithält, wenn man quantenmechanische Effekte auf dem Niveau einzelner Atome oder Lichtquanten betrachtet“, erklärt Jens Eisert, Teil des Forscherteams und Professor am Institut für Physik der Freien Universität Berlin. So erlaube die Quantenmechanik zum Beispiel absolut abhörsichere Kommunikation über weite Distanzen. Die Genauigkeit von Messverfahren könne damit erhöht und auch Simulationen oder Rechnungen könnten mit solchen einzelnen Quantensystemen weitaus effizienter gestaltet werden. Bislang fehlte, um einige dieser Anwendungen alltagstauglich zu machen, eine Methode, die fragilen Quanteneffekte vor schädlichen Einflüssen der Umgebung zu schützen. „Was also gebraucht wurde, ist ein Kühlschrank für die Quantenmechanik“, erklärt Jens Eisert. „Ein Speicher, der über verhältnismäßig lange Zeiten die quantenmechanischen Effekte schützt und bewahrt.“

Ein solcher Quantenspeicher müsste topologisch sein, also natürlichen Einflüssen widerstehen können. „Solche Speicher sind vorstellbar“, sagt Jens Eisert. Allerdings sei bislang noch unklar gewesen, wie man sie gegen thermisches Rauschen, den Einfluss einer Umgebung bei einer bestimmten Temperatur, resistent machen könne. Das Forscherteam aus Berlin, Kopenhagen und Sheffield hat nun das Konzept eines solchen topologischen Quantenspeichers entwickelt, dessen Funktionsweise auf sogenannten Zellulär-Automaten basiert. „Diese Zellulärautomaten waren als ,game of life‘ schon einmal in den 1970ern populär, als die von ihnen generierte bunte Bilder faszinierten“, erklärt Jens Eisert. Es habe sich gezeigt, dass das schwierige Problem des Dekodierens, also des Schutzes vor thermischem Rauschen, genau mit solchen Zellulärautomaten frisch gelöst werden kann. Dieser Ansatz erlaube auch eine modulare Funktionsweise, die Architekturen widerspiegeln, die in modernen Laboren der kondensierten Materie gerade erprobt werden. „Mit dieser Methode sollte es möglich sein, ein einzelnes Quant in einen ‚Kühlschrank‘ zu legen und zur späteren Verwendung auf zu bewahren“, sagt Jens Eisert.

Die Forschung wurde von der Europäischen Union (RAQUEL, SIQS, AQuS, Marie-Curie), dem European Research Council (TAQ) sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Studienstiftung gefördert.