Stabile Elektronen-Spins

Erstmals ist es gelungen, den magnetischen Zustand eines einzelnen Elektrons eine ganzen Sekunde lang stabil zu halten - ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer.

Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute an der Universität Basel und des Massachusetts Institute of Technology ist es erstmals gelungen, den magnetischen Zustand eines einzelnen Elektrons, den so genannten Elektronenspin, während einer ganzen Sekunde stabil zu halten. Damit ist ein wichtiger Meilenstein zur Realisierung von Elektronenspin-Speichern und zur Entwicklung von Quantencomputern geschaffen. Vor einigen Jahren wurde die Elektronenspinstabilität noch auf Mikrosekunden geschätzt. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Die Stabilität von Elektronenspins ist eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung von Elektronenspin-Speichern und für die Entwicklung des heute noch hypothetischen Quantencomputers. Quantencomputer, die Supercomputer der Zukunft, basieren auf der Idee, Quantenphysik für Computer-Rechnungen zu verwenden. Sie sollen einmal in der Lage sein, komplizierte Rechenprozesse in kürzester Zeit zu erledigen. Zum Beispiel für die Entschlüsselung eines RSA-Sicherheitscodes, wie er heute im E-Banking verwendet wird, würde ein Quantencomputer statt einem Jahr nur noch wenige Sekunden benötigen.

Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit zwischen der Forschungsgruppe um Dominik Zumbühl vom Swiss Nanoscience Institut an der Universität Basel und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es nun erstmals gelungen, den Elektronenspin während einer ganzen Sekunde stabil zu halten. Die Physiker isolierten dazu ein einzelnes Elektron in einer durch Nanostrukturen erzeugten Falle, bei einer sehr tiefen Temperatur von einem Zehntel Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Zusätzlich setzten sie das Elektron starken Magnetfeldern aus, wie sie auch bei Magnetresonanztomographen verwendet werden.

Das Konzept geht auf eine Vorhersage des Basler Physikprofessors Daniel Loss zurück. Die vorliegenden Experimente bestätigen dessen Rechnungen sehr präzise. Verwendet man die Verschränkung mehrerer benachbarter Elektronenspins, so könnte daraus der Quantencomputer realisiert werden.

Quelle: Universität Basel

Weitere Infos:

• Originalpublikation:
  S. Amasha, K. MacLean, Iuliana P. Radu, D. M. Zumbühl, M. A. Kastner, M. P. Hanson und A. C. Gossard, Electrical Control of Spin Relaxation in a Quantum Dot, Phys. Rev. Lett. 100, 046803 (2008).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.046803
  http://arxiv.org/abs/0707.1656v1
• Arbeitsgruppe von Dominik Zumbühl, Departement Physik der Universität Basel:
  http://zumbuhllab.unibas.ch
• Universität Basel:
  http://www.unibas.ch