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.
Abb.: Rasterkraftmikroskopische Aufnahme einer gezielt über einem Quantenpunkt fixierten Mikrolinse. Der Spin-Zustand des dunklen Exitons in dem Quantenpunkt birgt die Quanteninformation. (Bild: T. Heindel, TUB)
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
