Die dunkle Seite der Spin-Physik

Weltweit setzen Forscherteams auf dunkle Exzitonen als Infor­mations­träger für Quanten­computer. Diese Quasi­partikel bestehen aus gebun­denen Elektron-Loch-Paaren in einem Fest­körper­kristall. „Ein Qubit auf der Basis eines dunklen Exzitons ist in der Lage, in seinem Spin-Zustand Infor­ma­tion zu speichern. Im Gegen­satz zu einem klas­sischen Bit ist ein Qubit jedoch nicht nur in der Lage, den Zustand 1 oder 0 zu repräsentieren, sondern kann prin­zi­piell unend­lich viele Zwischen­zu­stände annehmen“, erklärt Tobias Heindel von der TU Berlin.

Bei der Verwendung dunkler Exzitonen gibt es jedoch ein Problem: Sie sind für sich betrachtet nicht in der Lage, Licht aus­zu­senden und damit schwer auf­zu­spüren. Gerade die Dunkel­heit macht diese Exzi­tonen aber auch inte­res­sant für ihre Anwen­dung als Quanten­speicher. Wurde ein dunkles Exziton erst einmal erzeugt, so kann es die Infor­ma­tion über eine Mikro­sekunde lang speichern – und damit tausend Mal länger als in üblichen hellen Exziton-Zuständen.

Jetzt ist es dem Team von der TU Berlin zusammen mt Kollegen aus Israel nicht nur gelungen, den Spin-Zustand und damit die Infor­ma­tion eines dunklen Exzitons aus­zu­lesen, sondern dieses gezielt in einem Nano­bau­teil zu loka­li­sieren. Das Nano­bau­teil, in welchem die Forscher dunkle Exzi­tonen iso­lieren konnten, ist ein Halb­leiter-Quanten­punkt, der in dem Brenn­punkt einer mikro­sko­pisch kleinen Linse sitzt. Um das dunkle Exziton über­haupt erst erzeugen und anschlie­ßend seinen Spin-Zustand aus­lesen zu können, nutzten die Forscher einen Trick, den die israe­lischen Koope­ra­tions­partner im Jahre 2010 ent­wickelt haben: Man ent­lockt dem Quanten­punkt die in dem Spin-Zustand gespei­cherte Quanten­infor­ma­tion durch ein weiteres gezielt ein­ge­brachtes Elektron, welches das Exziton – ver­ein­facht aus­ge­drückt – von dunkel auf hell schaltet. Nun kann das Exziton ein detek­tier­bares Licht­quant aus­senden. Der Clou: Die Polari­sa­tion dieses Licht­teil­chens birgt die Infor­ma­tion über den Spin-Zustand des ursprüng­lichen dunklen Exzitons.

Der große Vorteil gegenüber den bisherigen Experimenten liegt in dem an der TU Berlin ent­wickelten Nano­bau­teil. Eine spezielle mikro­sko­pische Linse wird in einem welt­weit einzig­artigen Verf­ahren gezielt über den zuvor aus­ge­wählten Quanten­punkt gesetzt. „Die Linse sammelt die aus­ge­strahlten Licht­quanten und bündelt sie in Richtung des Detektors. So kann der Spin-Zustand des dunklen Exzitons deut­lich häufiger aus­ge­lesen werden als ohne diese Linse, was später ent­scheidend für die Über­tragungs­rate der Quanten­infor­ma­tion sein wird. Durch diese Demon­stra­tion konnten wir zeigen, dass dunkle Exzi­tonen als lang­lebige Qubits ein­ge­setzt werden können, wodurch künftig Anwen­dungen in der Quanten-Infor­ma­tions­ver­arbei­tung möglich werden“, so Heindel.

TUB / RK