Schalten per Lichtsignal

Das Auslesen und Schreiben von Quantenbits war bislang sehr schwierig. Münchner Physikern gelang es nun erstmals, Elektronenspins über ein Lichtsignal zu schalten.

München - Elektronische Datenträger der Zukunft könnten den Spin einzelner Elektronen nutzen, um riesige Datenmengen zu speichern. In winzigen so genannten Quantenpunkten aus Galliumindiumarsenid befindet sich dann jeweils genau ein Ladungsträger mit dessen Hilfe sich ein Datenbit speichern lassen könnte. Doch das Beschreiben und Auslesen solcher Quantenspeicher gestaltet sich bislang noch als sehr schwierig. Münchner Physiker schafften es nun, mit polarisierten Lichtpulsen gezielt den Spin einzelner Elektronen festzulegen. Ihr Experiment beschreiben sie in der Fachzeitschrift "Nature".

"Halbleiter-Quantenpunkte sind besonders attraktiv für die Verwirklichung von Spinquantenbits", erklären Miro Kroutvar und seine Kollegen vom Walter Schottky Institut an der Technischen Universität München. "Sie können kontrollierbar positioniert, elektronisch gekoppelt und in aktive Module eingelagert werden." Genau solche filigranen Halbleiter-Strukturen nutzten sie, um in ihnen über eine Anregung mit Licht (~1300 Millielektronenvolt) Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Durch den geschickten, mehrschichtigen Aufbau der Quantenpunkte trennen sich Loch und Elektron voneinander. Die Gefahr einer Rekombination hält sich dabei in Grenzen, sodass bereits Lebensdauern einzelner Elektronen von mehreren Stunden möglich sind.

Bei einer Anregung mit Licht mit unkoordinierten, statistisch zufällig verteilten Polarisationsrichtungen halten sich die beiden möglichen Spinausrichtungen der erzeugten Elektronen die Waage. Photonen mit einer ausgewiesenen Polarisationsebene dagegen bevorzugen jeweils den Up- oder Down-Spin des Elektrons. Da diese Werte stellvertretend für die digitale "0" oder "1" in einem Quantenspeicher genutzt werden könnten, lässt sich prinzipiell über polarisierte Photonen von außen ein solcher Elektronenspin-Speicher kontrollieren. Zur Kontrolle der Spinausrichtung analysierten Kroutvar und seine Kollegen den Spin nach winzigen Bruchteilen einer Sekunde wieder. Denn nach dieser Zeit rekombinierte das Elektron mit einem Loch und sendete dabei ein Lichtteilchen aus. Dessen Polarisation, analysiert über einem Ein-Photon-Detektor, bestätigte die Ausrichtung des kurz vorher gezielt erzeugten Spins.

So erfolgreich solche grundlegenden Messungen im Labor auch sind, bis zu einem nutzbaren Spin-Datenspeicher ist der Weg noch sehr weit. Zum einen laufen solche Experimente in der Regel bei extrem tiefen Temperaturen zwischen einem und zehn Kelvin ab. Und zum anderen wirken starke Magnetfelder zwischen 2 und 16 Tesla, über die der jeweilige Elektronenspin stabilisiert wird. Dennoch konnten die Münchener Quantenphysiker den Spin nur für rund 20 Millisekunden bei einem Kelvin und vier Tesla konservieren. Aus heutiger Sicht ein hervorragender Wert für solche Experimente.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Miro Kroutvar et al., Optically programmable electron spin memory using semiconductor quantum dots, Nature 432, 81 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03008 
• Technische Universität München: 
  http://www.tum.de 
• Walter Schottky Institut: 
  http://wsi.tum.de 
• Optical Spectroscopy Group:
  http://www.wsi.tu-muenchen.de/E24/research/qdotspec/optspec.htm 
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Weitere Literatur:

• Loss,D. & DiVincenzo, D. Quantumcomputation with quantumdots. Phys. Rev. A 57, 120–126 (1998). 
• Arakawa, Y. & Tarucha, S. (eds) Proc. 2nd Int. Conf. on Semiconductor Quantum Dots (QD 2002), Physica Status Solidi B 238, 229–372 (2003). 
• Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature 393, 119–120 (1998). 
• Elzerman, J. M. et al. Single-shot read-out of an individual electron spin in a quantum dot. Nature 430, 431–435 (2004). 
• Khaetskii, A. V., Loss,D. & Glazman, L. Electron spin evolution induced by interactionwith nuclei in a quantum dot. Phys. Rev. B 67, 195329 (2003). 
• Gupta, J. A., Awschalom, D. D., Peng, X. & Alivisatos, A. P. Spin coherence in semiconductor quantum dots. Phys. Rev. B 59, R10421–R10424