Quantenphysiker der ETH haben ein Halbleiter-System entwickelt, das allenfalls für das Quanten-Computing gebraucht werden kann. Sie „züchteten“ einen Galliumarsenid-Kristall. Darauf brachten sie zwei Schichten aus Indium-Galliumarsenid auf, aus denen sich winzige Bläschen, die Quantenpunkte, bildeten. Die Blops der zweiten Schicht wuchsen direkt über denjenigen der ersten Schicht. „Ein solcher Punkt ist wie ein künstliches Atom aber grösser, und zwei übereinanderliegende Punkte stellen ein künstliches Molekül dar“, sagt Lucio Robledo, Erstautor einer Studie, die heute Freitag in Science online veröffentlicht wurde.

Die Forscher der Quantum Photonics Group der ETH unter der Leitung von Ataç Imamoglu konnten diese Quantenpunkte schliesslich mit einzelnen Elektronen bestücken und sie mittels Laser manipulieren sowie deren Eigenschaften analysieren. Die Physiker bestimmten exakt, wie viele Elektronen sich in einem Quantenpunkt ihres Halbleitersystems befinden. Vor allem aber konnten sie einzelne der geladenen Teilchen darin einsperren.

Elektronen als Bits

Jedes Elektron wiederum hat einen gewissen Spin, dreht sich also in einer Richtung um die eigene Achse und ist dadurch gewissermassen ein Quantenmagnet mit quantenmechanischen Eigenschaften. Ein besseres Verständnis und Kontrolle dieser Eigenschaften liegen seit Jahren im Fokus der Forschung in theoretischer und experimenteller Quantenphysik.

Bereits vor einigen Jahren wurde denn auch vorgeschlagen, den Elektronenspin als Träger kodierter Informationen zu nutzen. Bei einem normalen Rechner sind die elementaren Informationen Bits, welche nur die Werte Null oder Eins haben. Nicht so bei Quanten, die beide Zustände gleichzeitig annehmen können.

Für das Elektron heisst das: es hat gleichzeitig zwei verschiedene Spinorientierungen. „Das ist eines der fundamentalen Geheimnisse der Quantenwelt“, betont Jeroen Elzerman, Mitautor der Studie. Dies erlaube es aber, zahlreiche Rechenoperationen gleichzeitig auszuführen und die Geschwindigkeit eines Computers um ein Vielfaches zu erhöhen.

Optische Kontrolle

Für die Untersuchungen an ihrem Halbleitersystem verwendeten die Forscher der Quantum Photonics Group schliesslich zwei gekoppelte Quantenpunkte. Denn diese bedingen sich gegenseitig. Der Zustand eines Punktes beeinflusst den des darüberliegenden und umgekehrt. Und: die ETH-Physiker konnten diese Zustände von aussen her optisch, also durch Anregung mit einem Laser, kontrollieren. „Wir haben einen Weg gefunden, wie Quantenpunkte dazu gebracht werden können, auf kontrollierte Art und Weise miteinander in eine Wechselwirkung zu treten und zu kommunizieren“, sagt Robledo. Die kontrollierte Wechselwirkung, welche in der Studie vorgestellt wurde, könnte sich eignen, um fundamentale Quantenoperationen durchzuführen.

Für die Forscher der Quantum Photonics Group ist diese optische Manipulation von Quantenpunkt-Spins ein wichtiger Fortschrtt. So konnten sie beispielsweise den Spinzustand eines Elektrons mit hoher Zuverlässigkeit in eine bestimmte Richtung einstellen und ihn auch auslesen. Weiter konnten die Physiker einzelne Quantenpunkte an optische Nanoresonatoren koppeln.

Skalierbarkeit ungelöst

Trotz dieser beeindruckenden Erfolge zögert Ataç Imamoglu, die Quantenpunkte als den vielversprechendsten Weg zum Quantencomputer zu sehen, da auf der Nanoskala noch eine Menge Physik entschlüsselt werden muss. Ausserdem müsste die Architektur eines Quantencomputers wie bei einem herkömmlichen Computer– Stichwort Transistoren als Bauelement von Chips - modulartig ausbaubar sein, damit zu den zwei Quantenbits tausende weitere hinzugefügt werden können. Für diese Herausforderung bei Quantenpunkten müssen die Forscher erst noch eine Lösung finden.

Literaturhinweis:

Robledo, L. et al. (2008): Conditional Dynamics of Interacting Quantum Dots, Science online, publiziert am 9.5.2008, DOI: 10.1126/science.1155374