Baseler Physiker realisieren neue Art von Quantenbits

26.07.2016 |  Von  |  News
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Baseler Physiker realisieren neue Art von Quantenbits
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Quantenzustände sollen im Quantencomputer die kleinsten Informationseinheiten bilden. Sie sollen den binären Code ersetzen, mit dem heutige Computer arbeiten. Diese sogenannten „Qubits“ wurden bislang überwiegend mittels einzelner Elektronen realisiert.

Dieses Verfahren erwies sich aber als störungsanfällig. Nun ist es offenbar einem internationalen Forscherteam gelungen, ein fehlendes Elektron für Qubits zu nutzen. Dies berichtet das Forscherteam um Physiker der Universität Basel in der Zeitschrift „Nature Materials“.

In den Computern der Zukunft sollen Informationen in Form von Quantenbits, kurz Qubits, gespeichert werden. Diese beruhen auf den Prinzipien der Quantenphysik und können neben den binären Zuständen von null und eins weitere Zustände annehmen, was völlig neue Möglichkeiten eröffnet.

Bei Ansätzen, die mit herkömmlichen Halbleitermaterialen arbeiten, haben die Wissenschaftler Qubits meist in Form von einzelnen Elektronen realisiert. Das führte jedoch zu Störeffekten, und die Informationsträger liessen sich nur schwer programmieren und auslesen. Dieses Problem haben nun Forscher der Universitäten Basel, Bochum und Lyon umgangen, indem sie Löcher statt Elektronen als Qubits nutzten.

Elektronen als Quantenbits

Um Qubits in Form von Elektronen umzusetzen, setzt man ein Elektron in einem umgrenzten Bereich eines Halbleiters fest, in einem 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.

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. Ihre Lösung: Statt ein einzelnes Elektron im Quantenpunkt einzusperren, entfernten die Forscher um Prof. Richard Warburton vom Departement Physik der Universität Basel gezielt ein Elektron. Dadurch entsteht eine positiv geladene Fehlstelle in der Elektronenmenge, ein sogenanntes Loch.


Quantenpunkt mit 20 nm Durchmesser und 7 nm Höhe. Durch das gezielte entfernen eines Elektrons entsteht ein Elektronenloch (schwarzer Kreis), welches ebenfalls einen Spin besitzt (gelber Pfeil). (Bild: © Arne Ludwig)

Quantenpunkt mit 20 nm Durchmesser und 7 nm Höhe. Durch das gezielte entfernen eines Elektrons entsteht ein Elektronenloch (schwarzer Kreis), welches ebenfalls einen Spin besitzt (gelber Pfeil). (Bild: © Arne Ludwig)


Quantenpunkte und Elektronenlöcher

Ein Loch besitzt ebenfalls einen Spin, den die Forscher über Magnetfelder manipulieren können, um Informationen zu codieren. Da ein Loch positiv geladen ist, geht es den ebenfalls positiv geladenen Kernen der umgebenden Atome aus dem Weg. Somit sind die Löcher quasi immun gegen die störenden Einflüsse der Kernspins.

Bei ihren Experimenten konnten die Basler Physiker auf neuartige Halbleiterchips von Forschern der Ruhr-Universität Bochum zurückgreifen. Diese sind in der Lage, Quantenpunkte nicht nur mit einzelnen Elektronen, sondern auch mit Elektronenlöchern zu versehen.

„Inspiriert von den theoretischen Arbeiten der Gruppe um Prof. Daniel Loss hier in Basel versuchen wir seit Jahren, diese Konzepte umzusetzen. Allerdings haben wir festgestellt, dass sich herkömmliche Halbleiterchips nicht für Lochspin-Experimente eignen. Mit den Chips unserer Partner in Bochum konnten wir endlich dieses Experiment durchführen. Die Ergebnisse sind besser, als ich je erwartet hätte – das Loch spürt die Kernspins fast gar nicht!“, sagt Prof. Richard Warburton.

Das Projekt wurde unter anderem gefördert vom Nationalen Forschungsschwerpunkt Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), vom Schweizerischen Nationalfonds und von der Europäischen Union im FP7-Programm.

 

Artikel von: Universität Basel
Artikelbild: © welcomia – shutterstock.com

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