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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Dienstag, 24. November 2015

Auf dem Weg zum Quantencomputer

TU-Physiker spüren in Halbleiter-Nanostrukturen Mechanismen auf, aufgrund derer gespeicherte Quanteninformationen verloren gehen können – und unterbinden das Vergessen mit Hilfe von Magnetfeldern.

Elektron im Quanten-Punkt, beeinflusst von Kernspins der Umgebung

Quantenbits, kurz Qubits, sind die Grundbausteine für die „Quanten-Informationstechnologie“ (QIT), die möglicherweise die Zukunft der Computer darstellt. Ein aus Qubits bestehender Quantencomputer könnte einmal komplexere Probleme in höchster Geschwindigkeit lösen, weil er Probleme quantenmechanisch verarbeitet, so die Hoffnung. Prinzipiell gibt es verschiedene Möglichkeiten, solche Qubits zu realisieren. Alle basieren auf der Verwendung isolierter Quantensysteme. Zum Beispiel kommen Photonen hier ebenso in Frage wie gefangene Ionen oder Atome, deren Zustand jeweils gezielt mit Hilfe eines Lasers verändert werden kann. Die Kernfragen für eine mögliche Anwendung als Speicherbaustein sind, (i) wie lange sich Quanteninformationen in einem System sichern lassen und (ii) welche Mechanismen zum Verlust einer gespeicherten Information führen. Der Physiker Alexander Bechtold in der Gruppe von Professor Jonathan Finley vom Walter-Schottky-Institut der Technischen Universität München und der Nanosystems Initiative Munich (NIM) hat nun ein aus einem einzelnen Elektron bestehendes System vorgestellt, welches in einer Halbleiter-Nanostruktur gefangen ist. Der Elektronenspin dient als Speicher der Quanteninformation. Die Forscher konnten erstmals verschiedene Mechanismen, die zum Verlust der Quanteninformation führen, nachweisen und andererseits zeigen, dass sich die gespeicherte Information mit Hilfe äußerer Magnetfelder dennoch erhalten lässt.

Die TU-Physiker haben ihre Nanostrukturen durch das Wachstum künstlicher Halbleiteratome, so genannter Quanten-Punkte hergestellt. Dazu haben sie auf einem Galliumarsenid-Substrat den Halbleiter Indium-Galliumarsenid aufgedampft, der eine schmale Bandlücke aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Gitterabstände beider Halbleitermaterialien entsteht eine Verspannung im Kristallgitter. Dadurch formieren sich nanoskalige Indium-Galliumarsenid-Cluster, die Quanten-Punkte. Kühlt man die Qunatenpunkte auf die Temperatur flüssigen Heliums und regt sie optisch an, ist es möglich, gezielt in jedem dieser Quanten-Punkte ein einzelnes Elektron zu erzeugen und zu fangen. Das magnetische Moment bzw. die Spin-Zustände jedes einzelnen Elektrons lassen sich dann zum Kodieren von Quanteninformation nutzen. Diese Quanteninformation kann optisch über Laserpulse von außen gelesen und verändert werden. Daher stellt das System eine ideale Hardware zum Aufbau zukünftiger Quantencomputer dar. Spin-up oder Spin-down entsprechen den klassischen Informationszuständen 0 und 1, aber die quantenmechanischen Überlagerungen von Spin-up und Spin-down repräsentieren die Quanteninformation und unterstreichen die Leistungsfähigkeit von Quantentechnologien.

Allerdings gibt es ein Problem. „Wir haben herausgefunden, dass die Dehnung im Halbleitermaterial zu einem neuen, bis vor kurzem noch unbekannten Mechanismus des Verlustes von Quanteninformation führt“, sagt Alexander Bechtold. Die Dehnung erzeugt nämlich winzige elektrische Felder im Halbleiter, die sich auf das magnetische Moment oder die Kernspinorientierung jedes Atomkerns im Quantenpunkt auswirken. „Das ist eine Art piezoelektrischer Effekt“, sagt Bechtold. Es kommt zu unkontrollierten Fluktuationen der Richtung des Kernspins. Die Ausrichtung des Elektronemspins und damit die Quanteninformation geht so auf Zeitskalen von hunderten Nanosekunden verloren. Das Team konnte weitere Verlustmechanismen exakt nachweisen, etwa dass auch generell jeder Elektronenspin von den Spins der ihn umgebenden etwa 100.000 Atomkerne beeinflusst wird. „Beide Verlustkanäle lassen sich abschalten, wenn wir ein etwa 1,5 Tesla starkes Magnetfeld anlegen“, sagt Bechtold. Das stabilisiere die Kernspins und die im Elektron gespeicherte Quanteninformation bleibt geschützt.

„Das System ist äußerst vielversprechend als Hardware für die Festkörper-Quantentechnologie“, so Jonathan Finley, Leiter der Forschungsgruppe. „Halbleiter-basierte Ansätze wie Quanten-Punkte haben den Vorteil, dass sie perfekt in Halbleiterbausteine integriert werden können, wie sie in der Optoelektronik und der klassischen Informationstechnik verwendet werden“. Sie ließen sich sogar mit elektrischen Kontakten versehen und so nicht nur optisch mit Kurzzeit-Lasern, sondern auch mit Hilfe von Spannungsimpulsen ansteuern und schalten. „Die Möglichkeit den Quantenzustand eines einzelnen in einem Halbleiterbauelement gefangenen Elektrons zu beeinflussen, ist aufregend und gleichzeitig gewiss nützlich für quantentechnologische Bausteine“.

Veröffentlichung:

“Three-stage decoherence dynamics of an electron spin qubit in an optically active quantum dot”, Alexander Bechtold, Dominik Rauch, Fuxiang Li, Tobias Simmet, Per-Lennart Ardelt, Armin Regler, Kai Müller, Nikolai A. Sinitsyn and Jonathan J. Finley, Nature Physics (2015)

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