14.11.2008
Ultraschnelle Spinkontrolle
Der Spinzustand eines Quantenpunkts wurde mit Picosekunden-Laserpulsen gezielt verändert.
Ultraschnelle Spinkontrolle
Der Spinzustand eines Quantenpunkts wurde mit Picosekunden-Laserpulsen gezielt verändert.
Heutige Computer nutzen vor allem die Ladung des Elektrons, während sein Spin nur bei der Datenspeicherung gefragt ist. So wird auf einer Computerfestplatte jedes Bit mit etwa 10000 Elektronenspins gespeichert. Ein zukünftiger Quantencomputer soll hingegen einzelne Spins verarbeiten. Dazu muss man die Spins präzise manipulieren und kontrolliert miteinander wechselwirken lassen, bevor sich störende Umwelteinflüsse bemerkbar machen. Forscher an der Stanford University haben einzelne Spins auf Quantenpunkten mit ultrakurzen Laserpulsen in beliebige Richtung gedreht. Damit haben sie die Manipulation der Spins enorm beschleunigt.
Die etwa 100 nm großen Quantenpunkte aus InGaAs befanden sich auf einer GaAs-Unterlage, die auf 1,5 K gekühlt wurde. Auf einem Quantenpunkt konnte jeweils ein Elektron sitzen. Dessen Spin richtete sich parallel oder antiparallel zu einem 7 T starken Magnetfeld aus, das senkrecht auf der Unterlage stand. Durch kohärente Überlagerung dieser beiden Spinzustände |↑> und |↓> ergab sich ein allgemeiner Spinzustand, den man anschaulich durch den Bloch-Vektor beschreiben kann. Da jeder Spinzustand für eine bestimmte Raumrichtung ein Eigenzustand der Spinkomponente S•n ist, kann man ihm eindeutig den Einheitsvektor n zuordnen. Alle (unitären) Transformationen des Spins lassen sich dann durch entsprechende Rotationen des Bloch-Vektors n beschreiben.
Eine perfekte Kontrolle des Spinzustandes setzt voraus, dass man seinen Bloch-Vektor in einen eindeutigen Anfangszustand bringen und dann in einen gewünschten Endzustand drehen kann. Als Anfangszustand wählten Yoshihisa Yamamoto und seine Kollegen den Zustand |↑>, der parallel zum Magnetfeld eingestellt war und dessen Bloch-Vektor n in z-Richtung zeigte. Wie schon Leonhard Euler wusste, kann man einen Vektor in eine beliebige Richtung drehen, indem man ihn für die drei Euler-Winkel um die x-, die z- und noch einmal um die x-Achse dreht. Für die Drehung um die z-Achse sorgt schon das Magnetfeld, das den Bloch-Vektor mit einer Larmor-Periode von 38 ps um diese Achse kreiseln lässt.
Damit sich der Bloch-Vektor auch um die x-Achse dreht, kann man den Spin z. B. mit Mikrowellen bestrahlen, die mit der Energiedifferenz der Spinzustände |↑> und |↓> in Resonanz stehen und Rabi-Oszillationen erzeugen. Mit dieser Elektronenspinresonanz hat man schon vor einigen Jahren Elektronenspins in gewünschter Weise gedreht. Doch solch eine Drehung benötigte einige Nanosekunden – und das war zu lang, um innerhalb der Kohärenzzeit der Spins (in der ein Spinzustand durch Umwelteinflüsse verfälscht wird) eine größere Zahl von Rotationen durchführen zu können, wie es für einen Quantencomputer erforderlich wäre.
Die Stanford-Forscher haben nun einen Weg gefunden, den Bloch-Vektor wesentlich schneller um die x-Achse zu drehen. Dazu bestrahlten sie den Quantenpunkt entlang der x-Richtung mit zirkular polarisierten optischen Laserpulsen von wenigen Picosekunden Dauer. Das Laserlicht koppelte die beiden Spinzustände |↑> und |↓> nicht direkt miteinander sondern über einen angeregten Zwischenzustand. Bei diesem STIRAP-Prozess (Stimulated Raman Adiabatic Passage) wurde im Quantenpunkt ein virtuelles Elektron-Loch-Paar erzeugt. Wenn dieses Paar wieder rekombinierte, konnte der Spin des verbleibenden Elektrons umklappen. Auf diese Weise kam es zu einer starken effektiven Kopplung zwischen |↑> und |↓>, sodass der Spin innerhalb von Picosekunden um den gewünschten Winkel um die x-Achse gedreht werden konnte.
Im Anschluss an eine Spindrehung analysierten die Forscher Endzustand des Spins, indem sie den Quantenpunkt mit einem kontinuierlichen Pumplaser bestrahlten. Dessen Frequenz war so abgestimmt, dass er vom Zustand |↓> ausgehend wiederum ein Elektron-Loch-Paar erzeugte, das diesmal jedoch real war. Dieses Paar rekombinierte unter Aussendung eines Photons und hinterließ den Zustand |↑>. Durch vielfache Wiederholung der Spindrehung und Messung des Endzustandes konnten die Forscher sich von der Güte ihres Verfahrens überzeugen. Demnach stimmte der experimentell um die x-Achse gedrehte Spinzustand zu über 90 % mit dem theoretisch erwarteten Zustand überein.
Die Schnelligkeit des Verfahrens ermöglichte es, innerhalb einer Larmor-Periode (38 ps) eine aus drei Drehungen bestehende Spinoperation durchzuführen. Da für die Kohärenzzeit von Elektronenspins in Quantenpunkten einige Mikrosekunden gemessen worden waren, könnte man etwa 10000 Spinoperationen durchführen, bevor Umwelteinflüsse den Spinzustand verfälschen. Ein universeller Quantencomputer verarbeitet aber nicht nur einzelne Spins sondern auch Spinpaare. Das ließe sich vielleicht mit gekoppelten Quantenpunkten erreichen. Außerdem müssten die in den Spinzuständen gespeicherten Qubits zwischen Elektronen und Photonen ausgetauscht werden, um sie über größere Entfernungen übertragen zu können.
RAINER SCHARF
Weitere Infos:
Weitere Literatur:
Der Spinzustand eines Quantenpunkts wurde mit Picosekunden-Laserpulsen gezielt verändert.
Heutige Computer nutzen vor allem die Ladung des Elektrons, während sein Spin nur bei der Datenspeicherung gefragt ist. So wird auf einer Computerfestplatte jedes Bit mit etwa 10000 Elektronenspins gespeichert. Ein zukünftiger Quantencomputer soll hingegen einzelne Spins verarbeiten. Dazu muss man die Spins präzise manipulieren und kontrolliert miteinander wechselwirken lassen, bevor sich störende Umwelteinflüsse bemerkbar machen. Forscher an der Stanford University haben einzelne Spins auf Quantenpunkten mit ultrakurzen Laserpulsen in beliebige Richtung gedreht. Damit haben sie die Manipulation der Spins enorm beschleunigt.
Die etwa 100 nm großen Quantenpunkte aus InGaAs befanden sich auf einer GaAs-Unterlage, die auf 1,5 K gekühlt wurde. Auf einem Quantenpunkt konnte jeweils ein Elektron sitzen. Dessen Spin richtete sich parallel oder antiparallel zu einem 7 T starken Magnetfeld aus, das senkrecht auf der Unterlage stand. Durch kohärente Überlagerung dieser beiden Spinzustände |↑> und |↓> ergab sich ein allgemeiner Spinzustand, den man anschaulich durch den Bloch-Vektor beschreiben kann. Da jeder Spinzustand für eine bestimmte Raumrichtung ein Eigenzustand der Spinkomponente S•n ist, kann man ihm eindeutig den Einheitsvektor n zuordnen. Alle (unitären) Transformationen des Spins lassen sich dann durch entsprechende Rotationen des Bloch-Vektors n beschreiben.
Eine perfekte Kontrolle des Spinzustandes setzt voraus, dass man seinen Bloch-Vektor in einen eindeutigen Anfangszustand bringen und dann in einen gewünschten Endzustand drehen kann. Als Anfangszustand wählten Yoshihisa Yamamoto und seine Kollegen den Zustand |↑>, der parallel zum Magnetfeld eingestellt war und dessen Bloch-Vektor n in z-Richtung zeigte. Wie schon Leonhard Euler wusste, kann man einen Vektor in eine beliebige Richtung drehen, indem man ihn für die drei Euler-Winkel um die x-, die z- und noch einmal um die x-Achse dreht. Für die Drehung um die z-Achse sorgt schon das Magnetfeld, das den Bloch-Vektor mit einer Larmor-Periode von 38 ps um diese Achse kreiseln lässt.
Damit sich der Bloch-Vektor auch um die x-Achse dreht, kann man den Spin z. B. mit Mikrowellen bestrahlen, die mit der Energiedifferenz der Spinzustände |↑> und |↓> in Resonanz stehen und Rabi-Oszillationen erzeugen. Mit dieser Elektronenspinresonanz hat man schon vor einigen Jahren Elektronenspins in gewünschter Weise gedreht. Doch solch eine Drehung benötigte einige Nanosekunden – und das war zu lang, um innerhalb der Kohärenzzeit der Spins (in der ein Spinzustand durch Umwelteinflüsse verfälscht wird) eine größere Zahl von Rotationen durchführen zu können, wie es für einen Quantencomputer erforderlich wäre.
Die Stanford-Forscher haben nun einen Weg gefunden, den Bloch-Vektor wesentlich schneller um die x-Achse zu drehen. Dazu bestrahlten sie den Quantenpunkt entlang der x-Richtung mit zirkular polarisierten optischen Laserpulsen von wenigen Picosekunden Dauer. Das Laserlicht koppelte die beiden Spinzustände |↑> und |↓> nicht direkt miteinander sondern über einen angeregten Zwischenzustand. Bei diesem STIRAP-Prozess (Stimulated Raman Adiabatic Passage) wurde im Quantenpunkt ein virtuelles Elektron-Loch-Paar erzeugt. Wenn dieses Paar wieder rekombinierte, konnte der Spin des verbleibenden Elektrons umklappen. Auf diese Weise kam es zu einer starken effektiven Kopplung zwischen |↑> und |↓>, sodass der Spin innerhalb von Picosekunden um den gewünschten Winkel um die x-Achse gedreht werden konnte.
Im Anschluss an eine Spindrehung analysierten die Forscher Endzustand des Spins, indem sie den Quantenpunkt mit einem kontinuierlichen Pumplaser bestrahlten. Dessen Frequenz war so abgestimmt, dass er vom Zustand |↓> ausgehend wiederum ein Elektron-Loch-Paar erzeugte, das diesmal jedoch real war. Dieses Paar rekombinierte unter Aussendung eines Photons und hinterließ den Zustand |↑>. Durch vielfache Wiederholung der Spindrehung und Messung des Endzustandes konnten die Forscher sich von der Güte ihres Verfahrens überzeugen. Demnach stimmte der experimentell um die x-Achse gedrehte Spinzustand zu über 90 % mit dem theoretisch erwarteten Zustand überein.
Die Schnelligkeit des Verfahrens ermöglichte es, innerhalb einer Larmor-Periode (38 ps) eine aus drei Drehungen bestehende Spinoperation durchzuführen. Da für die Kohärenzzeit von Elektronenspins in Quantenpunkten einige Mikrosekunden gemessen worden waren, könnte man etwa 10000 Spinoperationen durchführen, bevor Umwelteinflüsse den Spinzustand verfälschen. Ein universeller Quantencomputer verarbeitet aber nicht nur einzelne Spins sondern auch Spinpaare. Das ließe sich vielleicht mit gekoppelten Quantenpunkten erreichen. Außerdem müssten die in den Spinzuständen gespeicherten Qubits zwischen Elektronen und Photonen ausgetauscht werden, um sie über größere Entfernungen übertragen zu können.
RAINER SCHARF
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung:
David Press et al.: Complete quantum control of a single quantum dot spin using ultrafast optical pulses. Nature 456, 218 (2008)
http://dx.doi.org/10.1038/nature07530 - Gruppe von Yoshihisa Yamamoto an der Stanford University:
http://www.stanford.edu/group/yamamotogroup/
Weitere Literatur:
- Keiichi Edamatsu: Swift control of a single spin. Nature 456, 182 (2008)
http://dx.doi.org/10.1038/456182a - Susan M. Clark et al.: Quantum Computers Based on Electron Spins Controlled by Ultrafast Off-Resonant Single Optical Pulses. Phys. Rev. Lett. 99, 040501 (2007)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.040501 - J. Berezovsky et al.: Picosecond Coherent Optical Manipulation of a Single Electron Spin in a Quantum Dot. Science 320, 349 (2008)
http://dx.doi.org/10.1126/science.1154798
GWF
