Gestapelte Quantenpunkte als Elektronenfalle

Physiker der ETH Zürich haben in einem Halbleitermaterial übereinanderliegende Quantenpunkte geschaffen, die einzelne Elektronen „fangen“. Mit Lasern lassen sich diese Punkte nicht nur untersuchen, sondern auch energetisch beeinflussen. Ob diese jetzt in „Science“ veröffentlichte Methode auch einen ersten Schritt zu einem Quantencomputer darstellt, ist jedoch noch fraglich.

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Jedes Elektron hat einen gewissen Spin, dreht sich also in einer Richtung um die eigene Achse und ist dadurch gewissermassen ein Quantenmagnet mit quantenmechanischen Eigenschaften. Vor einigen Jahren wurde vorgeschlagen, den Elektronenspin als Träger für Quanteninformationen zu nutzen. Bei einem normalen Rechner sind die elementaren Informationen Bits, welche nur die Werte Null oder Eins haben. Quanten hingegen können beide Zustände gleichzeitig annehmen. Für das Elektron heisst das: es hat gleichzeitig zwei verschiedene Spinorientierungen.

Die ETH-Forscher können nun den Spinzustand eines Elektrons mit hoher Zuverlässigkeit in eine bestimmte Richtung einstellen oder aber bei einem Elektron einen bestimmten Zustand auslesen, was in einer früheren Studie gezeigt wurde.

Zwei Quantenpunkte übereinander gestapelt

Um mit Quantensystemen rechnen zu können, muss man mehrere Quantenpunkte kontrolliert koppeln können. Dazu züchtete das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Ataç Imamoglu einen Galliumarsenid-Kristall. Auf diesen brachten sie zwei Schichten aus Indium-Galliumarsenid auf, aus denen sich winzige Inseln – die Quantenpunkte – bildeten. Sie arbeiteten dabei mit einem System aus zwei übereinanderliegenden Quantenpunkten. Die Inseln 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 der Studie, die in Science veröffentlicht wurde.

Diese Inseln dienen nun nicht nur als Elektronenfalle, sie beeinflussen sich auch gegenseitig. Den ETH- Physikern ist es jetzt gelungen, die Zustände der gefangenen Elektronen von aussen her mit einem Laser zu 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.

Noch viele Hürden auf dem Weg zum Quantencomputer

Die Quantum Photonics Group erreichte mit den neuen Halbleiterquantenstrukturen einen wichtigen Fortschritt in der optischen Manipulation von gekoppelten Quantenpunkten. Trotz dieser beeindruckenden Erfolge zögert Professsor Ataç Imamoglu, die Quantenpunkte als den vielversprechendsten Weg zum Quantencomputer zu sehen, da noch eine Menge physikalische Probleme gelöst werden müssen.

So fehlt beispielsweise noch ein detailliertes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den Quantenpunkten und ihrer Umgebung.Ausserdem müsste ein Quantencomputer tausende anstelle der zwei Quantenbits vereinen – für diese Herausforderung müsse bei Quantenpunkten erst noch eine Lösung gefunden werden.

(ETH Zürich, 13.05.2008 – NPO)