Eine neue Art von Quanten-Bits

In Computern der Zukunft könnten Informationen in Form von Quanten-Bits gespeichert sein. Aber wie lässt sich ein Quanten-Bit reali­sieren? Ein Forscher­team aus Deutsch­land, Frank­reich und der Schweiz hat jetzt Quanten-Bits, kurz Qubits, in einer neuen Form umge­setzt. Bis­lang haben Wissen­schaftler Qubits in Form von einzelnen Elek­tronen reali­siert. Das führt jedoch zu Stör­effekten und macht die Infor­mations­träger schwer zu program­mieren und aus­zu­lesen. Dieses Problem besei­tigte das Team, indem es Elek­tronen­löcher statt Elek­tronen als Qubits nutzte.

Um Qubits in Form von Elektronen umzusetzen, sperrt man ein Elek­tron in einem um­grenzten Bereich eines Halb­leiters ein, einem Quanten­punkt. Der Spin macht das Elek­tron zu einem kleinen Dauer­magneten. Forscher können den Spin über ein äußeres Magnet­feld beein­flussen und in Kreisel­bewegungen ver­setzen. Mit der Richtung dieser Bewegung können sie Infor­ma­tionen codieren.

Das Problem: Die Kernspins der umliegenden Atome erzeugen ebenfalls Magnet­felder, die das äußere Magnet­feld in zu­fälliger, unvor­her­seh­barer Weise ver­zerren. Das stört das Pro­gram­mieren und Aus­lesen der Qubits. Also suchte das Team nach einer anderen Methode. Die Lösung: Statt einzelne Elek­tronen im Quanten­punkt ein­zu­sperren, ent­fernte das Team gezielt bestimmte Elek­tronen. Dadurch ent­standen positiv geladene Fehl­stellen. Diese Elek­tronen­löcher besitzen eben­falls einen Spin, den die Forscher über Magnet­felder mani­pu­lieren können, um Infor­ma­tionen zu codieren. Da die Löcher positiv geladen sind, gehen sie den eben­falls positiv geladenen Kernen der umge­benden Atome aus dem Weg. Somit sind sie immun gegen die störenden Ein­flüsse der Kern­spins.

„Das ist wichtig, wenn man reproduzierbare Bauteile her­stellen möchte, die auf Quanten-Bits basieren“, erklärt Andreas Wieck von der Uni Bochum. Aller­dings funk­tio­niert die Methode nur bei tiefen Tempe­ra­turen, da Wärme die Löcher ten­den­ziell leichter durch­ein­ander­bringt als Elek­tronen. An der Uni Bochum können Forscher Quanten­punkte mit welt­weit einzig­artiger Qualität her­stellen. Das Expe­riment war Dank eines von Arne Ludwig an der Uni Basel ent­wickelten und dann von Wieck und seinem Team in Bochum reali­sierten Struk­tur­designs möglich. Hierbei konnten die Forscher die Quanten­punkte nicht nur in hoher Qualität mit einzelnen Elek­tronen, sondern auch mit Elek­tronen­löchern versehen.

RUB / RK