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Posted: Mar 19, 2012

Auf dem Weg zum Quantencomputer: Forscherteam erzeugt fliegende Quantenbits

(Nanowerk News) Das Alphabet der Datenverarbeitung könnte in Zukunft mehr Elemente als die "0" und "1" umfassen. Ein internationales Forscherteam hat mit einzelnen Elektronen eine neue Art von Bits realisiert, die so genannten Quantenbits. Mit ihnen lassen sich weitaus mehr als zwei Zustände definieren. Bislang existierten Quantenbits nur in relativ grossen Vakuumkammern, das Team erzeugte sie nun in Halbleitern. Damit ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer getan. Die Forscher berichten in Nature Nanotechnology ("Electrical control of a solid-state flying qubit").
So wächst das Alphabet der Datenverarbeitung
Das Alphabet der Datenverarbeitung könnte in Zukunft mehr Elemente als die "0" und "1" umfassen. Ein internationales Forscherteam hat mit einzelnen Elektronen eine neue Art von Bits realisiert, die so genannten Quantenbits. Mit ihnen lassen sich weitaus mehr als zwei Zustände definieren. Bislang existierten Quantenbits nur in relativ grossen Vakuumkammern, das Team erzeugte sie nun in Halbleitern. So setzten sie einen Effekt in die Tat um, den RUB-Physiker Prof. Dr. Andreas Wieck bereits vor 22 Jahren theoretisch vorhergesagt hatte. Damit ist ein weiterer Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer getan. Gemeinsam mit Kollegen aus Grenoble und Tokyo berichtet Wieck vom Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik über die Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Nanotechnology.
Elektronen-Einbahnstrassen: In diesem Doppelkanal bewegen sich Elektronen (blau) auf definierten, parallelen Wegen.
Elektronen-Einbahnstrassen: In diesem Doppelkanal bewegen sich Elektronen (blau) auf definierten, parallelen Wegen. Immer nur ein einzelnes Elektron passt auf einmal hindurch. Durch Tunnelkopplung kann das Elektron zwischen den Kanälen hin- und herwechseln und nimmt dabei zwei verschiedene Zustände ein, die mit "Pfeil nach oben" und "Pfeil nach unten" bezeichnet sind. Das Elektron fliegt quasi gleichzeitig in beiden Spuren, seine beiden Zustände überlagern sich. (Abbildung: Andreas Wieck)
Herkömmliche Bits
Die Grundeinheit der heutigen Datenverarbeitung sind die Bit-Zustände "0" und "1", die sich in ihrer elektrischen Spannung unterscheiden. Um diese Zustände zu codieren, ist nur die Ladung der Elektronen entscheidend. "Elektronen haben aber auch noch andere Eigenschaften", sagt Wieck und genau die braucht man für Quantenbits. "Die Erweiterung von Bits auf Quantenbits kann die Rechenleistung von Computern dramatisch steigern", so der Physiker.
Die neue Bit-Generation
Ein Quantenbit entspricht einem einzigen Elektron in einem bestimmten Zustand. Gemeinsam mit seinen Kollegen nutzte Wieck die Flugbahnen eines Elektrons durch zwei dicht beieinander liegende Kanäle für die Codierung. Prinzipiell sind zwei verschiedene Zustände möglich: Das Elektron bewegt sich entweder im oberen Kanal oder im unteren Kanal – das wäre dann aber wieder nur ein binäres System. Laut Quantentheorie kann sich ein Teilchen jedoch gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden, also quasi zur selben Zeit durch beide Kanäle fliegen. Diese überlagerten Zustände können ein umfangreiches Alphabet der Datenverarbeitung bilden.
Ein Rezept für Quantenbits
Um Quantenbits mit unterschiedlichen Zuständen zu erzeugen, liessen die Forscher einzelne Elektronen mit sich selbst interferieren. Das funktioniert mit dem so genannten Aharonov-Bohm-Effekt: Angetrieben von einer äusseren Spannung fliegen die Elektronen durch einen halbleitenden Festkörper. Innerhalb dieses Festkörpers wird ihre Flugbahn erst gegabelt und schliesslich wieder zusammengeführt. Dabei fliegt jedes Elektron gleichzeitig auf beiden möglichen Wegen. Vereinen sich die beiden Wege wieder, kommt es zur Interferenz, das heisst die beiden Elektronenwellen überlagern sich und es entstehen Quantenbits mit verschiedenen überlagerten Zuständen.
Elektronen auf definierte Wege lenken
Normalerweise bewegt sich eine Elektronenwelle gleichzeitig auf vielen verschiedenen Pfaden durch einen Festkörper. Durch Verunreinigungen im Material verliert sie ihre Phaseninformation und somit ihre Fähigkeit, einen bestimmten Zustand zu codieren. Um die Phaseninformation zu erhalten, züchteten die Forscher an der RUB einen hochreinen Galliumarsenid-Kristall und nutzten den von Wieck vor über 20 Jahren vorgeschlagenen Doppelkanal.
So funktioniert der Doppelkanal
Ein Elektron erreicht die Weggabelung über zwei dicht beieinander liegende Kanäle. Diese sind miteinander gekoppelt (Tunnelkopplung), so dass das Elektron gleichzeitig auf zwei verschiedenen Pfaden fliegt. Die Phasen der Elektronenwellen bleiben durch die Kopplung erhalten. Den gleichen Doppelkanal verwendete das Team auch, nachdem die Elektronenwellen sich am Ende der Weggabelung wieder vereinten. So erzeugten sie Quantenbits mit eindeutigen Zuständen, die sich eignen, um Information zu codieren. "Leider nehmen noch nicht alle Elektronen an diesem Prozess teil, bislang nur ein paar Prozent", kommentiert Wieck. "Einige Doktoranden an meinem Lehrstuhl sind aber schon dabei, Kristalle mit höheren Elektronendichten wachsen zu lassen."
Source: Ruhr-Universität Bochum
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