30.01.2023

Gekoppelte Quantenpunkte

Wichtige Grundlage für einen universellen, Fehler-korrigierten Quantencomputer.

Einem inter­nationalen Forschungsteam aus Bochum und Kopenhagen ist es gelungen, zwei Quantenpunkte in einem Nanochip zu koppeln. Nach der Anregung eines Quanten­punktes mittels eines Lasers wird ein Signal ausgesendet, dessen Ursprung nicht mehr auf einen der Quantenpunkte zu beziehen ist, so als hätten beide je die Hälfte des Signals in Form eines einzelnen Photons ausgesandt. „Das klingt zunächst nach einem kleinen Erfolg, aber diese Signal­verschränkung, die auf einem einzelnen Photon sitzt, ist dabei mehr als die Summe ihrer Teile“, sagt Arne Ludwig vom Lehrstuhl für Festkörper­physik der Ruhr-Universität Bochum. „Es bedeutet einen großen Schritt hin zur Nutzbarkeit der Quanten­technologie für Computer­operationen.“

Abb.: Illustration eines Chips mit zwei verschränkten Quanten­lichtquellen....
Abb.: Illustration eines Chips mit zwei verschränkten Quanten­lichtquellen. (Bild: NBI, U. Kopenhagen)

Der Bochumer Anteil der aufwändigen Arbeiten umfasste das Design und die Herstellung der Halbleiter­strukturen für das Experiment. „Beim Bandstruktur-Engineering entwickeln wir Strukturen, in der sich Quanten­punkte gezielt ansteuern, kontrollieren und von den Umgebungs­fluktuationen abschirmen lassen“, erklärt Arne Ludwig. Diese Struktur muss dann in einer hochreinen Ultrahoch­vakuumumgebung unter Berück­sichtigung oberflächen­physikalischer Prozesse auf einem Wirtskristall hergestellt werden. Diesen Arbeits­schritt hat Sven Scholz, damals Promotions­student bei Arne Ludwig und Andreas Wieck, übernommen. Anschließend werden die Eigen­schaften der Strukturen optisch und elektronisch vermessen, die Ergebnisse analysiert und Parameter für optimierte Strukturen erarbeitet.

„In der Halbleiter­struktur befinden sich viele Milliarden Quantenpunkte, von denen jeder einen Durchmesser von nur rund zehn Nanometern hat“, beschreibt Arne Ludwig. „Könnten wir all diese Quantenpunkte miteinander koppeln und für Quantenrechen­operationen kontrollieren, so hätten wir einen unvorstellbar mächtigen Computer. Dies allerdings ist derzeit noch völlig utopisch.“ In Abstimmung mit den Forschenden in Kopenhagen wurden die Strukturen dann weiter optimiert, bis elektrische Felder, quanten­mechanische Energieniveaus, optische Reflektions­eigenschaften und die Kopplung zwischen Photonen und den Quantenpunkten stimmen. In Kopenhagen wurde die Struktur weiter­bearbeitet und zu einem Nanochip verfeinert. Mittels Laser lassen sich in diesem Bauteil dann einzelne Quantenpunkte anregen. Durch die Kopplung folgt daraus die Aussendung einzelner Photonen aus zwei dieser Quantenpunkte.

„Die Besonderheit an dieser optischen Kommunikation liegt darin, dass wir in dem Lichtsignal Informationen absolut abhörsicher trans­portieren können“, erklärt Arne Ludwig. Die Kopplung zweier Quantenpunkte ist zum ersten Mal gelungen und bedeutet einen großen Schritt hin zur Anwendbarkeit der Quanten­technologie für technische Zwecke. Moderne Computerchips bestehen aus mehreren Milliarden Transistoren, die binär geschaltet werden können. Einhundert Photonen aus einem einzelnen Quanten­punkt hingegen weisen dabei eine Komplexität auf, die die von modernen Groß­rechenanlagen bei weitem übersteigt. „Der Schritt von einem Quantenpunkt zu zweien scheint ein kleiner Beitrag zu sein, ist aber eine funda­mental wichtige Hürde, die wir mit den Kollegen aus Kopenhagen nun genommen haben,“ so Arne Ludwig.

Peter Lodahl, leitender Wissenschaftler des Teams am Niels-Bohr-Institut, führt weiter aus: „Gelänge es, zwanzig bis dreißig Quantenpunkte zu koppeln, so eröffnete sich damit die Möglichkeit, einen universellen, Fehler-korrigierten Quanten­computer zu bauen – der ultimative Heilige Gral der Quanten­technologie. Unser Beitrag zeigt einen wichtigen Schritt auf, wie dies gelingen kann. Die Strukturen, die Arne Ludwig in Bochum entwickelt, sind einzigartig auf der Welt. Sie sind in ihrer Qualität unüber­troffen und erlauben diesen großen Fortschritt.”

RUB / JOL

Weitere Infos

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Meist gelesen

Themen