Quantenphysik

Eine neue Art von Quanten-Bits

In den Computern der Zukunft könnten Informationen in Form von Quanten-Bits gespeichert sein. Aber wie kann man ein Quanten-Bit eigentlich realisieren?

Das Team vom Lehrstuhl für Festkörperphysik arbeitet mit winzigen Strukturen. Die Quantenpunkte, die die Forscher um Andreas Wieck erzeugen, sind gerade einmal 30 Nanometer breit. (© RUB, Marquard)

Ein Forscherteam aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz hat Quanten-Bits, kurz Qubits, in einer neuen Form umgesetzt. Eines Tages könnten diese die Informationseinheiten eines Quantencomputers sein.

Bislang hatten die Wissenschaftler Qubits in Form von einzelnen Elektronen realisiert. Das führte jedoch zu Störeffekten und machte die Informationsträger schwer zu programmieren und auszulesen. Dieses Problem beseitigte die Gruppe nun, indem sie Elektronenlöcher statt Elektronen als Qubits nutzte.

In der Zeitschrift „Nature Materials" berichtet ein Team der Ruhr-Universität Bochum, der Universität Basel und der Universität Lyon, an dem unter anderem die beiden Bochumer Forscher Prof. Dr. Andreas Wieck und Dr. Arne Ludwig vom Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik beteiligt waren. Der Schweizer Wissenschaftler Prof. Dr. Richard Warburton leitete das Projekt.

Elektronen als Qubits

Um Qubits in Form von Elektronen umzusetzen, sperrt man ein Elektron in einem umgrenzten Bereich eines Halbleiters ein, im sogenannten Quantenpunkt. Der Spin, also der Eigendrehimpuls, macht das Elektron zu einem kleinen Dauermagneten. Forscher können den Spin über ein äußeres Magnetfeld beeinflussen und in Kreiselbewegungen versetzen. Mit der Richtung dieser Bewegung können sie Informationen codieren.

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Das Problem: Die Kernspins der umliegenden Atome erzeugen ebenfalls Magnetfelder, die das äußere Magnetfeld in zufälliger, unvorhersehbarer Weise verzerren. Das stört das Programmieren und Auslesen der Qubits. Also suchte das Team nach einer anderen Methode. Die Lösung: Statt einzelne Elektronen im Quantenpunkt einzusperren, entfernte das Team gezielt bestimmte Elektronen. Dadurch entstanden positiv geladene Fehlstellen in der Elektronenmenge, auch Elektronenlöcher genannt.

Vorteile von Elektronenlöchern

Die Elektronenlöcher besitzen ebenfalls einen Spin, den die Forscher über Magnetfelder manipulieren können, um Informationen zu codieren. Da die Löcher positiv geladen sind, gehen sie den ebenfalls positiv geladenen Kernen der umgebenden Atome aus dem Weg. Somit sind sie quasi immun gegen die störenden Einflüsse der Kernspins.

„Das ist wichtig, wenn man eines Tages reproduzierbare Bauteile herstellen möchte, die auf Quanten-Bits basieren", erklärt Andreas Wieck. Allerdings funktioniert die Methode nur bei tiefen Temperaturen, da Wärme die Löcher tendenziell leichter durcheinanderbringt als Elektronen.

Mit dieser Apparatur erzeugte Doktorand Sascha René Valentin Quantenpunkte mit Elektronenlöchern. (© RUB, Marquard)

An der Ruhr-Universität können Forscher Quantenpunkte mit weltweit einzigartiger Qualität herstellen. Das Experiment war nun Dank eines von Arne Ludwig in Basel entwickelten und dann an der RUB am Lehrstuhl von Andreas Wieck realisierten Strukturdesigns möglich. Hierbei konnten die Forscher die Quantenpunkte nicht nur in hoher Qualität mit einzelnen Elektronen, sondern auch mit Elektronenlöchern versehen. Der Bochumer Doktorand Sascha René Valentin setzte das Verfahren für die aktuelle Studie ein.

Förderung

Das Projekt wurde gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG TRR160), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Q.com-H 16KIS0109), der Europäischen Union im FP7-Programm (IPN S3NANO), dem National Centre of Competence in Research „Quantum Science and Technology" und dem Schweizerischen Nationalfonds (200020 156637).

Originalveröffentlichung:

Jonathan H. Prechtel, Andreas V. Kuhlmann, Julien Houel, Arne Ludwig, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Richard J. Warburton (2016): The hole spin qubit: decoupling from the nuclear spins, in: Nature Materials, 2016, DOI: 10.1038/nmat4704.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Andreas Wieck, Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik, Fakultät für Physik und Astronomie, Ruhr-Universität Bochum, E-Mail: andreas.wieck@rub.de.

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