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Posted: April 19, 2010

Auf dem Weg zum Quantencomputer: Spin-Manipulation durch Lichtimpulse

(Nanowerk News) Superschnell und leistungsstark: So sollen Quantencomputer einmal sein. Doch vor der Realisierung dieses völlig neuen Computertyps stehen noch technische Hürden. Über Fortschritte auf diesem Gebiet berichten Physiker der Uni Würzburg in Nature Photonics ("Ultrafast optical spin echo in a single quantum dot").
"Zum Bau von Quantencomputern sind als Informationsträger gute Quantenbits nötig", sagt der Physiker Martin Kamp. Was ein gutes Quantenbit ausmacht? Es muss verschiedene physikalische Zustände annehmen können, die beliebig manipulierbar und möglichst langlebig sind.
Durch Lichtpulse lässt sich der Spin eines Elektrons in eine genau definierte Position bringen
Durch Lichtpulse lässt sich der Spin eines Elektrons in eine genau definierte Position bringen. Physikern der Uni Würzburg ist es gelungen, die "Lebensdauer" dieser Position deutlich zu verlängern - ein Fortschritt auf dem Weg zu Quantencomputern und anderen Anwendungen. (Bild: Martin Kamp)
Um solche Bauelemente zu erhalten, beschreiten Wissenschaftler weltweit verschiedene Wege. Die Würzburger Physiker und ihre Kooperationspartner in Japan und den USA setzen auf Nanostrukturen aus Halbleitermaterialien, so genannte Quantenpunkte. Ein Vorteil dieser Festkörpersysteme ist die Möglichkeit, mehrere Quantenbits auf einem Chip zu integrieren.
Manipulation des Spins durch Lichtpulse
In den untersuchten Strukturen befindet sich in jedem Quantenpunkt ein zusätzliches Elektron, dessen so genannter Spin zur Darstellung eines Quantenbits verwendet wurde. Der Spin entspricht, vereinfacht gesagt, der Eigendrehung der Elektronen und kann symbolisch durch einen Pfeil dargestellt werden. Die Quantenpunkte befinden sich in einem Magnetfeld, das eine Referenzachse für den Pfeil definiert. Zeigt der Pfeil entlang dieser Achse nur in zwei mögliche Richtungen, so hat man es mit einem klassischen Bit zu tun, mit dem heutige Computer rechnen. Bei einem Quantenbit dagegen sind alle Orientierungen in Bezug auf die Referenzachse relevant. Quantenbits codieren daher mehr Information als klassische Bits, sind aber auch anfälliger gegenüber Störungen, die zu einer Änderung der Orientierung führen können.
In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Photonics" beschreiben die Würzburger Physiker verschiedene Möglichkeiten, die Orientierung eines Spin zu manipulieren. "Durch Lichtpulse lässt sich der Spin in eine genau definierte Position bringen", erklärt Sven Höfling vom Physikalischen Institut. Von Dauer ist der gewünschte Zustand aber nicht; durch die Wechselwirkung des Spins mit der Umgebung des Quantenpunkts geht die in einem einzelnen Spin codierte Information normalerweise in wenigen Milliardstel Sekunden verloren. Die Überwindung dieses Effekts gilt als eine der größten Herausforderungen für die Realisierung von Quantencomputern.
Längere Lebensdauer des gewünschten Spin-Zustands
Mit einer ausgeklügelten Technik ist es den Physikern gelungen, die Lebensdauer des vorher eingestellten Spin-Zustands deutlich zu verlängern: Sie konnten ihn mehrere millionstel Sekunden lang stabil halten. "In dieser Zeit können an einem Quantenbit 100.000 Operationen durchgeführt werden, und das ist für den Einsatz in einem Quantencomputer eine sehr annehmbare Zahl", so Martin Kamp. Dies sei darauf zurückzuführen, dass sich die Spinzustände in Quantenpunkten durch ultrakurze Lichtpulse auch sehr schnell manipulieren lassen.
"Unsere Arbeit zeigt das große Potenzial auf, welches einzelne Spin-Quantenbits für den Einsatz in Quantencomputern oder als Quantenspeicher bei Verschlüsselungstechniken zur sicheren Datenübertragung haben", so das Fazit der Forscher.
Verschaltung der Spin-Quantenbits als nächstes Ziel
Nächstes Ziel der Physiker: mehrere Quantenbits miteinander zu verschalten. Dabei wollen sie die Quantenbits auch in photonische Netzwerke einbinden, in denen Signale durch Lichtpulse übermittelt werden. Dass sich Spin-Quantenbits in solche Schaltkreise integrieren lassen, gilt als vorteilhaft für die weitere Entwicklung dieser Technologie.
Source: Julius-Maximilians-Universität Würzburg
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