Adressierung von Quantenbits im Halbleiter

Dotierte Eisenatome können sich wie isolierte Spinzustände verhalten.

Das Manipulieren, Auslesen und Koppeln einzelner Quantensysteme stellt eine wesentliche Voraussetzung für die Quanteninformationsverarbeitung dar. Es gibt verschiedene Ansätze, die dafür notwendigen Quantenbits zu realisieren; Die Spinzustände in dotierten Halbleitern stellen einen davon dar. Für diesen Ansatz spricht insbesondere die Erfahrung in den Fabrikationstechniken zur Herstellung dotierter Halbleiter. Allerdings hängt ihr magnetisches Verhalten stark von der lokalen Umgebung ab. Bisher ist es jedoch nicht gelungen, die Spinzustände der Dotierungsatome elektrisch auszulesen und auf atomarer Skala zu untersuchen. Optische Methoden sind räumlich nicht präzise genug, um einzelne Atome, die dicht gepackt sind, voneinander zu trennen.

Einer Forschergruppe vom Institut für Angewandte Physik in Hamburg gelang es nun, einzelne Dotierungsatome in einem Halbleiter elektrisch zu adressieren. Das Team um Jens Wiebe und Roland Wiesendanger untersuchte einen Indiumantimonid-Wafer, dessen Oberfläche mit einzelnen Eisenatomen dotiert wurde. Die Spinzustände der Elektronen, die an die Eisenatome gebunden sind, können zur Kodierung von Quantenbits genutzt werden.

Mittels spinauflösender Rastertunnelmikroskopie nahmen die Forscher sowohl die Spinanregung als auch die Magnetisierungskurve der Eisenatome auf. Dabei zeigte sich, dass sich die Eisenatome wie isolierte Spins verhielten. Mit einem atomar feinen magnetischen Lesekopf ließ sich ein einzelnes Eisenatom adressieren und auslesen, in welchem Zustand sich das Quantenbit aufhielt. Die Anregung der Spins der isolierten Atome erfolgte durch den Stromfluss des Lesekopfes. Es war also möglich, den Zustand des Quantenbits gezielt zu manipulieren.

Universität Hamburg/MH