Einzelne Spins im Siliziumkristall ausgelesen

Wie lassen sich einzelne Elektronenspins in Halbleiterbauelementen zur Verarbeitung von Quanteninformation nutzen? Forscher in Australien sind der Antwort auf diese Frage einen großen Schritt näher gekommen. Sie haben Erbiumatome in einem Siliziumkristall optisch angeregt und danach ihren ursprünglichen Spinzustand mit einem Einzelelektronentransistor sehr genau und effizient gemessen.

Im Wettlauf um den ersten Quantencomputer, der statt Bits eine große Zahl von Quantenbits verarbeitet, gibt es unterschiedliche Strategien. So setzen die Atomphysiker auf einzelne Atome, die isoliert voneinander in winzigen Fallen auf integrierten Chips festgehalten werden. Die in ihrem elektronischen Quantenzustand gespeicherte Information tauschen sie durch Photonen aus. Im Gegensatz dazu wollen Festkörperphysiker einen Quantencomputer bauen, der die hochentwickelte Halbleitertechnologie nutzt. Die Quanteninformation sitzt dabei auf Fehlstellen oder Fremdatomen in einem Halbleiterkristall.

Dazu wurden zunächst Stickstofffehlstellen in Diamantkristallen intensiv erforscht, bei denen ein Stickstoffatom zwei Kohlenstoffatome ersetzt. Solch eine Fehlstelle hat den Spin S = 1, mit dem sie Quanteninformation aufnehmen kann. Um aber ein Qubit länger zu speichern, eignet sich der elektronische Spin nicht, da er den störenden Einflüssen des Kristallgitters ausgesetzt ist.

Doch mehreren Forschergruppen ist es inzwischen gelungen, ein Qubit von der Elektronenhülle in den Kern des Stickstoffatoms oder in einen benachbarten C-13-Kern zu übertragen, wo es besser geschützt ist. Für C-13-Kerne hatten Mikhail Lukin und seine Kollegen bei Zimmertemperatur Kohärenzzeiten von über einer Sekunde gemessen.

Auch in kristallines Silizium, das sich als Substrat für einen „Quantenchip“ wohl besser eignet als Diamant, hat man Fremdatome eingebaut und auf ihnen Qubits gespeichert. So haben Forscher um Mike Thewalt einen Kristall aus reinem Silizium-28 mit Phosphor-31 dotiert. Die Phosphorkerne konnten die Qubits mehrere Minuten lang speichern, allerdings nur bei tiefen Temperaturen unterhalb von 3 K.

Um die Qubits auszulesen, regten die Forscher die Phosphoratome optisch an und maßen den dabei auftretenden Fotostrom im Silizium. Die Genauigkeit dieses opto-elektrischen Verfahrens wurde jedoch durch die Wärme im Kristall begrenzt. Hingegen hatte man die Qubits in den Fehlstellen im Diamant rein optisch ausgelesen. Hier litt die Messgenauigkeit unter der geringen Wahrscheinlichkeit, mit der die emittierten Photonen detektiert wurden.

Jetzt haben Sven Rogge an der University of New South Wales in Sydney und seine Kollegen ein neues opto-elektrisches Verfahren zum Auslesen von Qubits vorgestellt, die auf Erbium-167-Ionen in kristallinem Silizium gespeichert sind. Dazu werden die Ionen gezielt optisch angeregt, sodass sie ein Elektron verlieren. Anschließend wird ihr Ladungszustand mit einem Einzelelektronentransistor gemessen.

In diesem Transistor bestanden Source und Drain aus kristallinem,  mit Erbium dotierten Silizium. Das darüber liegende Gate besteht aus polykristallinem Silizium. Der Transistor unterband zunächst das Fließen eines Tunnelstroms. Bestrahlten die Forscher dann die Erbiumionen, die aufgrund des lokalen Kristallfeldes unterschiedliche Anregungsenergien hatten, mit Licht von einer Wellenlänge um 1537 nm und einer scharfen Frequenz, so trat bei einem bestimmten Ion Anregung auf und es verlor  ein Elektron. Die veränderte elektrische Ladung dieses Ions wurde vom hochempfindlichen Transistor registriert: Es floss ein Tunnelstrom, und zwar so lange bis das Ion wieder ein Elektron eingefangen hatte.

Indem Rogge und seine Kollegen den Transistor in ein starkes Magnetfeld brachten, konnten sie anhand der gemessenen Anregungsfrequenzen der Erbiumionen auch deren Aufspaltung in acht Hyperfeinniveaus beobachten. Da Erbium-167 einen Kernspin I = 7/2 hat, gibt es acht verschiedene Kernspinzustände. Dadurch spaltet  jeder elektronische Spinzustand durch Hyperfeinwechselwirkung in acht Unterniveaus auf.

Mit dem neuen Verfahren lassen sich die Spin- und den Kernspinzustände einzelner Erbiumionen – und somit die in ihnen gespeicherten Qubits – sehr genau und mit hoher Effizienz messen. Frühere Experimente mit erbiumdotierten Kristallen hatten gezeigt, dass die Kernspins der Erbiumatome bei hoher Teilchendichte Relaxationszeiten von 0,1 s aufwiesen. Bei geringerer Dichte und dadurch verminderter Kopplung der Kernspins sollten diese noch wesentlich langsamer relaxieren. Entsprechend lange könnte man in ihnen Qubits speichern.

Zudem lässt sich das zur Anregung der Erbiumionen benutzte Licht dank seiner Wellenlänge von 1537 nm durch Glasfasern übertragen. Die Erbium-Qubits könnten somit Teil eines photonischen Netzwerks sein, das Quanteninformation über große Entfernungen überträgt.

Rainer Scharf

OD