Quanten-Bus aus zwei Spin-Trios

Quanten­computer rechnen mit Qubits, also Quanten­zuständen beispiels­weise von Atomen oder Elektronen, die gleich­zeitig die logischen Werte Null und Eins annehmen können. Um viele solcher Qubits zu einem leistungs­starken Quanten­rechner zusammen­zuschließen, muss man sie über Entfernungen von Milli­metern oder gar mehreren Metern mit­einander koppeln. Dies kann zum Beispiel, ganz ähnlich wie bei einer Radio­antenne, über die Ladungs­verschiebung durch eine elektro­magnetische Welle erreicht werden. Aller­dings setzt eine solche Kopplung das Qubit auch störenden Einflüssen von uner­wünschten elek­trischen Feldern aus, worunter die Qualität der logischen Qubit-Opera­tionen stark leidet. Forscher der ETH Zürich haben nun mit Unter­stützung durch theo­retische Physiker der Univer­sität von Sherbrooke in Kanada gezeigt, wie man dieses Problem umgehen kann. Dazu fanden sie einen Weg, um ein Mikro­wellen-Photon an ein Spin-Qubit in einem Quanten­punkt zu koppeln.

In Quanten­punkten fängt man zunächst Elektronen in nur wenige Nanometer großen Halbleiter­strukturen ein, die auf weniger als ein Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Die logischen Werte Null und Eins können nun auf zweier­lei Weise rea­lisiert werden. Entweder man definiert ein Qubit dadurch, dass sich das Elektron auf der linken oder rechten Seite eines doppelten Quanten­punktes befindet, oder über den Spin des Elektrons, der nach oben oder unten zeigen kann. Im ersten Fall spricht man von einem Ladungs-Qubit, das durch die elektrische Ladungs­verschiebung stark an elektro­magnetische Wellen koppelt. Ein Spin-Qubit dagegen kann man sich als winzige Kompass­nadel vorstellen, die nach oben oder unten zeigt. Wie eine Kompass­nadel ist der Spin magne­tisch und koppelt daher nicht an elektrische, sondern an magne­tische Felder. Die Kopplung des Spin-Qubits an den magne­tischen Anteil von elektro­magnetischen Wellen ist dabei viel schwächer als diejenige eines Ladungs-Qubits an den elek­trischen Anteil.

Dadurch ist ein Spin-Qubit zwar einerseits weniger störan­fällig und behält seine Kohärenz über einen längeren Zeitraum. Anderer­seits ist es aber auch deutlich schwieriger, Spin-Qubits mittels Photonen über lange Distanzen aneinander zu koppeln. Um dies trotzdem möglich zu machen, benutzt die Arbeits­gruppe einen Trick, wie Jonne Koski erklärt: „Indem wir für die Reali­sierung des Qubits nicht einen, sondern gleich drei Spins verwenden, können wir die Vorteile eines Spin-Qubits mit denen eines Ladungs-Qubits verbinden.“ In der Praxis werden dafür auf einem Halbleiter­chip drei Quanten­punkte hergestellt, die nahe bei­einander liegen und mittels winziger Drähte durch angelegte Spannungen kontrolliert werden können. In jedem der Quanten­punkte können Elektronen mit nach oben oder unten ausge­richtetem Spin gefangen werden. Durch einen der Drähte ist das Spin-Trio zudem mit einem Mikrowellen­resonator verbunden. Die Spannungen an den Quanten­punkten stellt man nun so ein, dass sich auf jedem der Quanten­punkte jeweils ein Elektron befindet und die Spins von zwei der Elektronen in die gleiche, der dritte dagegen in die entgegen­gesetzte Richtung zeigt.

Nach den Regeln der Quanten­mechanik können die Elektronen zudem mit einer gewissen Wahrschein­lichkeit zwischen den Quanten­punkten hin und her tunneln. Dadurch kann es vorkommen, dass sich von den drei Elektronen zeitweise zwei in demselben Quantenpunkt befinden, wogegen einer leer bleibt. In dieser Konstel­lation ist die elektrische Ladung nun ungleich verteilt. Durch diese Ladungs­verschiebung wiederum entsteht ein elektrischer Dipol, der stark an das elektrische Feld eines Mikrowellenphotons koppeln kann. Diese starke Kopplung konnten die Wissen­schaftler durch eine Messung der Resonanz­frequenz des Mikrowellen­resonators eindeutig nachweisen. Dabei beobach­teten sie, wie sich die Resonanz des Resonators durch die Kopplung an das Spin-Trio aufspaltete. Aus den Daten konnten sie herleiten, dass die Kohärenz des Spin-Qubits über mehr als zehn Nano­sekunden erhalten blieb.

Die Forscher sind zuver­sichtlich, dass mit dieser Technik schon bald ein Über­tragungsweg für Quanten­information zwischen zwei Spin-Qubits – ein Quanten-Bus – realisiert werden kann. „Dafür müssen wir zwei Spin-Trios an beiden Enden des Mikrowellen­resonators platzieren und zeigen, dass die Qubits dann über ein Mikrowellen­photon mit­einander gekoppelt sind“, sagt Doktorand Andreas Landig. Damit wäre ein wichtiger Schritt in Richtung eines Netzwerks von räumlich verteilten Spin-Qubits getan. Zudem betonen die Forscher, dass sich ihre Methode problem­los auf andere Materialien wie zum Beispiel Graphen über­tragen lässt und damit sehr vielseitig ist.

ETHZ / JOL