Elektronenspin mit Mikrowellen-Photonen gekoppelt
Methode könnte ein störungsfreies Auslesen von Qubits in skalierbaren Festkörpersystemen ermöglichen.
Wenn Quantencomputer mit der Hilfe von Spinzuständen rechnen, müssen diese auch ausgelesen werden. Eine elegante Methode dazu entwickelten nun französische Physiker der Université Paris-Diderot-Sorbonne. Sie schafften es, einen Elektronenspin mit Photonen zu koppeln. Trotz geringer Dauer dieser Kopplung von sechzig Nanosekunden lassen sich mit dieser Methode Spins zerstörungsfrei bestimmen und vielleicht auch über größere Distanzen miteinander verknüpfen.
Abb.: Mikroskopaufnahme des doppelten Quantenpunkts und der Mikrowellen-Kavität, die eine Kopplung zwischen Elektronenspin und Photon erlaubt. (Detailvergrößerung rechts; Bild: J. J. Viennot et al., USPC)
„Die kohärente Kopplung von einzelnen Spins mit Photonen könnte ein interessanter Ansatz zur Verarbeitung von Quantendaten sein, da Photonen sehr gute Träger für Quanteninformation sind“, sagt Takis Kontos vom Laboratoire Pierre Aigrain an der Pariser Universität. Zusammen mit seinen Kollegen fertigte er aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen doppelten Quantenpunkt. In diesen wurde der Spin von Elektronen über das magnetische Feld eines winzigen Ferromagneten aus einer Palladiumnickel-Legierung kontrolliert.
Über eine Gleichspannung ließ sich ein Elektron von einem Quantenpunkt zum benachbarten bewegen. Dabei rotierte die Ausrichtung des Spins. Um nun eine Kopplung mit Photonen zu realisieren, positionierten Kontos und Kollegen einen Mikrowellen-Resonator aus supraleitendem Niob einige Dutzend Mikrometer neben dem doppelten Quantenpunkt. Für die Kopplungsversuche wurde das gesamte Ensemble auf vierzig Millikelvin abgekühlt. Physikalisch erfolgte die Kopplung über die Wechselwirkung der Ladungsorbitale im Quantenpunkt zum elektrischen Feld des Resonators.
Über ein variables, externes Magnetfeld (-100 bis +100 mT) konnte die Übergangsfrequenz des Spinzustands des Elektrons auf die Frequenz des Resonators abgestimmt werden. Unter Resonanzbedingungen spiegelte sich der Spinzustand des Elektrons direkt in messbarer Phase und Amplitude der Resonator-Transmission wieder. So war eine Bestimmung des Elektronsspins möglich, ohne diesen selbst zu beeinflussen.
Dieses Experiment ist vor allem für die Entwicklung von Quantencomputern auf der Basis von Spinzuständen in Festkörpern interessant. Gegenüber Qubits aus eingefangenen Ionen wird den Festkörper-Qubits eine höhere Chance zur Skalierung auf größere Systeme zugesprochen. Die von Kontos und Kollegen demonstrierte Kopplung von Elektronenspins mit Photonen bzw. elektromagnetischen Feldern in einem Resonator erweitert die Möglichkeiten zum Auslesen und zur Kontrolle von Elektronenspins.
Jan Oliver Löfken
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