23.10.2008
Kristallines Quantengedächtnis
Die Kernspins von Phosphoratomen in einem Siliziumkristall können Quanteninformationen sekundenlang speichern.
Kristallines Quantengedächtnis
Die Kernspins von Phosphoratomen in einem Siliziumkristall können Quanteninformationen sekundenlang speichern.
Während herkömmliche Elektronenrechner klassische Bits verarbeiten, werden Quantencomputer mit Qubits rechnen. Ein Qubit lässt sich als Quantenzustand eines Zweiniveausystems auffassen, wie es z. B. der Elektronenspin in einem Magnetfeld, ein Atom im Grund- bzw. Anregungszustand oder ein Photon mit zwei orthogonalen Polarisationszuständen ist. Vieles spricht dafür, beim Bau eines Quantencomputers auf das große Know-how und die enormen Möglichkeiten der Halbleitertechnologie zurückzugreifen. So könnten Qubits in Quantenpunkten oder in den Kernspins von Fremdatomen im Halbleitermaterial abgelegt werden. Ein internationales Forscherteam hat jetzt Qubits sekundenlang in Phosphoratomen gespeichert, die in einem Siliziumkristall eingebettet waren.
John Morton von der Oxford University und seine Kollegen benutzten als Qubit-Speicher einen Einkristall aus Silizium-28, den sie mit Phosphor-31-Atomen dotiert und auf eine Temperatur von 5,5 K abgekühlt hatten. Während Silizium-28 weder ungepaarte Elektronenspins noch einen Kernspin aufweist, besitzt Phosphor-31 ein zusätzliches Elektron – und damit einen Elektronenspin – sowie einen Kernspin. Ein solches Phosphoratom kann deshalb sowohl mit seinem Elektronenspin als auch mit seinem Kernspin ein Qubit tragen.
Sitzt ein Qubit auf dem Elektronenspin des Phosphoratoms, so lässt es sich leicht mit elektromagnetischen Feldern manipulieren und z. B. drehen oder mit anderen Qubits verschränken. Zugleich ist es aber auch störenden Umwelteinflüssen ausgesetzt. Besser abgeschirmt ist das Qubit, wenn es auf dem Kernspin des Atoms sitzt. Um ein Qubit vom Elektronenspin, wo es verarbeitet werden kann, zum Kernspin zu bringen und dort zu speichern, müssen die Zustände des Elektronen- und des Kernspins kurzfristig intensiv miteinander gekoppelt werden. Das erreichten die Forscher dadurch, dass sie die Phosphoratome resonanten Radiofrequenzpulsen aussetzten.
Die Übertragung des Qubits lief folgendermaßen ab. Anfangs waren der Elektronen- und der Kernspin eines Atoms in ihrem Grundzustand: (1,0)x(1,0). Mit einem Mikrowellenpuls wurde auf den Elektronenspin das Qubit geschrieben: (a,b)x(1,0), wobei a und b komplexe Zahlen sind. Ein resonanter Radiofrequenzpuls regte den Kernspin an, wenn der Elektronenspin seinerseits im angeregten Zustand war: (a,0)x(1,0)+(0,b)x(0,1). Es folgte ein abgestimmter Mikrowellenpuls, der den Grundzustand des Elektronenspins anregte: (0,a)x(1,0)+(0,b)x(0,1). Der resultierende Zustand, den man auch (0,1)x(a,b) schreiben kann, war der gewünschte Endzustand. Das Qubit war vom Elektronenspin zum Kernspin gewandert.
Wie gut ihr Verfahren ist, demonstrierten die Forscher, indem sie ein beliebiges Qubit auf den Elektronenspin schrieben und es auf den Kernspin übertrugen, wo sie es etwa eine Sekunde lang speicherten. Die direkte Messung des Qubits durch Kernspinresonanz wäre nur bei einer viel stärkeren Phosphordotierung des Siliziumkristalls möglich gewesen. Um das Qubit dennoch messen zu können, kehrten die Wissenschaftler die Übertragungsprozedur um und brachten das Qubit vom Kernspin wieder auf den Elektronenspin zurück. Das erhaltene Qubit wurde anhand des Elektronenspinechos ausgelesen und das Ergebnis mit dem Start-Qubit verglichen.
Die Forscher wiederholten das Experiment viele Male, um die Effizienz der Speicherung und Übertragung zu bestimmen. Mit zusätzlichen Mikrowellenpulsen und langsam veränderlichen Feldern erreichten Morton und seine Kollegen, dass das Qubit mit einer Effizienz von etwa 90 % in seinen Anfangszustand auf dem Elektronenspin zurückkehrte – nachdem es über eine Sekunde auf dem Kernspin gespeichert worden war. Durch eine weitere Optimierung der Pulse ließ sich sogar eine Effizienz von 97 % erreichen.
Mit dem vorgestellten Verfahren können die Qubits bisher nur für alle Atome gleichzeitig auf die Kernspins übertragen oder von dort ausgelesen werden. Doch mit lokalen Kontakten, die durch elektrische Felder einzelne Fremdatome „verstimmen“, ließen sich die Qubits gezielt auswählen, die in Kernspins gespeichert oder zur Verarbeitung auf Elektronenspins übertragen werden sollen. Dass der Quantenspeicher auf eine so extrem tiefe Temperatur gekühlt werden muss, lässt sich indes nicht so leicht umgehen.
RAINER SCHARF
Weitere Infos
Weitere Literatur:
Die Kernspins von Phosphoratomen in einem Siliziumkristall können Quanteninformationen sekundenlang speichern.
Während herkömmliche Elektronenrechner klassische Bits verarbeiten, werden Quantencomputer mit Qubits rechnen. Ein Qubit lässt sich als Quantenzustand eines Zweiniveausystems auffassen, wie es z. B. der Elektronenspin in einem Magnetfeld, ein Atom im Grund- bzw. Anregungszustand oder ein Photon mit zwei orthogonalen Polarisationszuständen ist. Vieles spricht dafür, beim Bau eines Quantencomputers auf das große Know-how und die enormen Möglichkeiten der Halbleitertechnologie zurückzugreifen. So könnten Qubits in Quantenpunkten oder in den Kernspins von Fremdatomen im Halbleitermaterial abgelegt werden. Ein internationales Forscherteam hat jetzt Qubits sekundenlang in Phosphoratomen gespeichert, die in einem Siliziumkristall eingebettet waren.
John Morton von der Oxford University und seine Kollegen benutzten als Qubit-Speicher einen Einkristall aus Silizium-28, den sie mit Phosphor-31-Atomen dotiert und auf eine Temperatur von 5,5 K abgekühlt hatten. Während Silizium-28 weder ungepaarte Elektronenspins noch einen Kernspin aufweist, besitzt Phosphor-31 ein zusätzliches Elektron – und damit einen Elektronenspin – sowie einen Kernspin. Ein solches Phosphoratom kann deshalb sowohl mit seinem Elektronenspin als auch mit seinem Kernspin ein Qubit tragen.
Sitzt ein Qubit auf dem Elektronenspin des Phosphoratoms, so lässt es sich leicht mit elektromagnetischen Feldern manipulieren und z. B. drehen oder mit anderen Qubits verschränken. Zugleich ist es aber auch störenden Umwelteinflüssen ausgesetzt. Besser abgeschirmt ist das Qubit, wenn es auf dem Kernspin des Atoms sitzt. Um ein Qubit vom Elektronenspin, wo es verarbeitet werden kann, zum Kernspin zu bringen und dort zu speichern, müssen die Zustände des Elektronen- und des Kernspins kurzfristig intensiv miteinander gekoppelt werden. Das erreichten die Forscher dadurch, dass sie die Phosphoratome resonanten Radiofrequenzpulsen aussetzten.
Die Übertragung des Qubits lief folgendermaßen ab. Anfangs waren der Elektronen- und der Kernspin eines Atoms in ihrem Grundzustand: (1,0)x(1,0). Mit einem Mikrowellenpuls wurde auf den Elektronenspin das Qubit geschrieben: (a,b)x(1,0), wobei a und b komplexe Zahlen sind. Ein resonanter Radiofrequenzpuls regte den Kernspin an, wenn der Elektronenspin seinerseits im angeregten Zustand war: (a,0)x(1,0)+(0,b)x(0,1). Es folgte ein abgestimmter Mikrowellenpuls, der den Grundzustand des Elektronenspins anregte: (0,a)x(1,0)+(0,b)x(0,1). Der resultierende Zustand, den man auch (0,1)x(a,b) schreiben kann, war der gewünschte Endzustand. Das Qubit war vom Elektronenspin zum Kernspin gewandert.
Wie gut ihr Verfahren ist, demonstrierten die Forscher, indem sie ein beliebiges Qubit auf den Elektronenspin schrieben und es auf den Kernspin übertrugen, wo sie es etwa eine Sekunde lang speicherten. Die direkte Messung des Qubits durch Kernspinresonanz wäre nur bei einer viel stärkeren Phosphordotierung des Siliziumkristalls möglich gewesen. Um das Qubit dennoch messen zu können, kehrten die Wissenschaftler die Übertragungsprozedur um und brachten das Qubit vom Kernspin wieder auf den Elektronenspin zurück. Das erhaltene Qubit wurde anhand des Elektronenspinechos ausgelesen und das Ergebnis mit dem Start-Qubit verglichen.
Die Forscher wiederholten das Experiment viele Male, um die Effizienz der Speicherung und Übertragung zu bestimmen. Mit zusätzlichen Mikrowellenpulsen und langsam veränderlichen Feldern erreichten Morton und seine Kollegen, dass das Qubit mit einer Effizienz von etwa 90 % in seinen Anfangszustand auf dem Elektronenspin zurückkehrte – nachdem es über eine Sekunde auf dem Kernspin gespeichert worden war. Durch eine weitere Optimierung der Pulse ließ sich sogar eine Effizienz von 97 % erreichen.
Mit dem vorgestellten Verfahren können die Qubits bisher nur für alle Atome gleichzeitig auf die Kernspins übertragen oder von dort ausgelesen werden. Doch mit lokalen Kontakten, die durch elektrische Felder einzelne Fremdatome „verstimmen“, ließen sich die Qubits gezielt auswählen, die in Kernspins gespeichert oder zur Verarbeitung auf Elektronenspins übertragen werden sollen. Dass der Quantenspeicher auf eine so extrem tiefe Temperatur gekühlt werden muss, lässt sich indes nicht so leicht umgehen.
RAINER SCHARF
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung:
John J. L. Morton et al.: Solid-state quantum memory using the 31P nuclear spin. Nature 455, 1085 (2008)
http://dx.doi.org/10.1038/nature07295
http://arxiv.org/abs/0803.2021 - Quantum Spin Dynamics Gruppe an der Oxford University:
http://qsd.physics.ox.ac.uk/index.php
Weitere Literatur:
- A. M. Tyryshkin et al. : Coherence of spin qubits in silicon. J. Phys. Condens. Matter 18, S783 (2006)
http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/18/21/S06
http://qsd.physics.ox.ac.uk/papers/paper10.pdf (frei!)
http://arxiv.org/abs/cond-mat/0512705
- B.E. Kane: Silicon-based Quantum Computation. Fortschritte der Physik 48, 1023 (2000)
http://www3.interscience.wiley.com/journal/74000497/abstract - John J. L. Morton et al.: High Fidelity Single Qubit Operations Using Pulsed Electron Paramagnetic Resonance. Phys. Rev. Lett. 95, 200501 (2005)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.200501
http://qsd.physics.ox.ac.uk/papers/paper4.pdf (frei!) - M. V. Gurudev Dutt et al.: Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond. Science 316, 1312 (2007)
http://dx.doi.org/10.1126/science.1139831
GWF
