Quantenbit im Nanodraht

Einzelne Elektronenspins im Halbleiter lassen sich mit elektrischen Pulsen direkt manipulieren.

Während sich die Halbleiterelektronik nur der Ladung der Elektronen bedient, nutzt die Spintronik auch den Elektronenspin. So lassen sich statt klassischer Bits quantenmechanische Qubits verarbeiten, was einem entsprechend ausgerüsteten Quantencomputer ungeahnte Möglichkeiten eröffnete. Beim Bau eines solchen Rechners würde man gerne auf die erprobten Verfahren der Halbleitertechnologie zurückgreifen. Sie und die Nanotechnologie ermöglichen Halbleiterstrukturen, in denen einzelne Elektronenspins mit elektrischen Pulsen in gewünschte Quantenzustände gebracht werden können, wie Forscher vom Kavli Institute of Nanoscience an der TU Delft berichten.

Leo Kouwenhoven und seine Kollegen haben einen 80 nm dicken Draht aus Indiumarsenid quer über fünf parallele streifenförmige Gate-Elektroden gelegt und seine beiden Enden an eine Source- und eine Drain-Elektrode angeschlossen. Eine Spannung von 6 mV zwischen Source und Drain ließ einen Strom durch den Draht fließen, den die Forscher maßen. Die Gate-Elektroden wurden auf unterschiedliche, elektrisch negative Potentiale gebracht. Dadurch entstanden im Nanodraht zwei nebeneinander liegende Quantenpunkte, in denen maximal zwei Elektronen sitzen konnten. Die Energieniveaus der Quantenpunkte und die Höhe der Barriere zwischen ihnen ließen sich mit Hilfe der angelegten Potentiale variieren.

Doch wie manipuliert man den Spin der in den Quantenpunkten sitzenden Elektronen? Ein inhomogenes Magnetfeld, das direkt an das magnetische Moment der Elektronen angreift, kam dafür nicht in Frage, da man mit ihm auf der Nanometerskala nicht ausreichend räumlich selektiv auf die beiden Spins einwirken kann. Zudem ist die Kontrolle der Spinzustände mit Hilfe eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes nicht schnell genug, um eine Wirkung zu erzielen bevor sich Umwelteinflüsse störend bemerkbar machen. Mit einem homogenen und konstanten Magnetfeld sorgten die Forscher lediglich dafür, dass die beiden Spinzustände unterschiedliche Energien hatten.

Abb.: Elektronenmikroskopische Aufnahme des Nanodraht-Qubit-Prozessors. Der Nanodraht spannt sich zwischen Source (S) und Drain (D) und liegt auf fünf streifenförmigen Gate-Elektroden, die in aufgefächerten Kontakten enden. (Bild: S. Nadj-Perge et al., Nature)

Zur Kontrolle der Spins setzten die Forscher elektrische Felder ein. Bewegt sich ein Elektron in einem räumlich inhomogenen elektrischen Feld, so erfährt es ein Magnetfeld, das auf den Spin wirkt und somit die Bahnbewegung mit dem Spin koppelt. Im Indiumarsenid ist diese Spin-Bahn-Kopplung besonders stark, sodass Spin und Bahndrehimpuls der Elektronen nicht mehr unabhängig voneinander betrachtet werden können. Die Elektronen tragen deshalb keine Spin-Qubits mehr sondern Spin-Bahn-Qubits mit den beiden Spin-Bahn-Zuständen ↑ und ↓. Mit einem elektrischen Feld kann man die Bewegungen der Elektronen beeinflussen und damit über die Spin-Bahn-Kopplung auch die Spin-Bahn-Zustände.

Dazu brachten die Forscher in jeden der Quantenpunkte ein Elektron, die beide denselben Spin-Bahn-Zustand hatten, also (↑,↑).Wegen des Pauli-Verbots konnte das Elektron im linken Quantenpunkt nicht in den vom anderen Elektron besetzten rechten Quantenpunkt hinübertunneln, da dies den verbotenen Zustand (0,↑↑) ergeben hätte. Somit floss praktisch kein Strom durch den Nanodraht. Dann legten die Forscher an das dem linken Quantenpunkt benachbarte Gate ein gepulstes elektrisches Feld an, das das dort sitzende Elektron in Schwingungen versetzte. Die Spin-Bahn-Kopplung verdrehte daraufhin den Spin-Bahn-Zustand des Elektrons. War der elektrische Puls so bemessen, dass nun die beiden Elektronen entgegengesetzte Zustände hatten, also (↓,↑), so konnte das linke Elektron in den rechten Quantenpunkt tunneln und sich weiter durch den Draht bewegen, sodass ein Strom floss.

Die Stromstärke zeigte Oszillationen, wenn die Stärke des elektrischen Pulses erhöht wurde. Diese Oszillationen gingen auf die Rabi-Oszillationen zwischen den beiden Spin-Bahn-Zuständen des linken Elektrons zurück, die vom elektrischen Puls verursacht wurden, wobei die Pulsfrequenz auf die Energiedifferenz der beiden Zustände abgestimmt war. Quantenmechanische Überlagerungen der beiden Spin-Bahn-Zustände und damit einen allgemeinen Qubit-Zustand erzielten die Forscher, indem sie zwei aufeinanderfolgende elektrische Pulse mit unterschiedlicher Phase auf das linke Elektron wirken ließen.

Der präparierte Spin-Bahn-Zustand des Elektrons wurde durch Umwelteinflüsse gestört, so dass er nach einigen Mikrosekunden verschwand. Zu diesen Einflüssen gehören Fehlstellen im Nanodraht, aber vor allem die ungewöhnlich großen Kernspins der Indiumatome, mit denen die Elektronen wechselwirkten. Dieses Problem könnte man mit einem inhomogen aufgebauten Nanodraht angehen, der neben Abschnitten aus Indiumarsenid auch solche aus Silizium enthält. In die InAs-Abschnitte würden die Elektronen nur gebracht, um ihren Spin-Bahn-Zustand und damit das Qubit zu ändern, während man in den Si-Zonen das Qubit zwischenspeichern könnte. Nanodrähte eröffnen zudem die Möglichkeit, einzelne Photonen zu erzeugen, die mit ihrem Polarisationszustand jeweils das Qubit eines Elektrons übernehmen und über größere Distanzen dorthin transportieren, wo es weiter verarbeitet werden kann.

RAINER SCHARF

 KK